Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Mahmud Ashrafizadeh
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mahdi Arezoomand
مهدی آرزومند

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Numerical Analysis of Inlet Boundary Condition Effects on Heat Transfer Simulation Results in a Gas Turbine Blade
In order to investigate the cooling system implemented in the passing ways of the gas turbine, it is necessary to simulate the flow through turbine blades using appropriate softwares before starting with experiments. A real numerical simulation always requires complete information from turbine operating conditions, which are generally unknown and expensive to acquire. Therefore, we have to make rational approximations of the operating conditions enabling us to run some numerical simulation and assess the percentage of the variation in the results due to these approximations, so that, we will understand as to how much careful we should move forward with the collection of the information. Numerical results obtained throughendeavour are in good agreement with the experimental results which shows that the conjugate heat transfer is an efficient method for predicting flow pattern and heat transfer through gas turbine vanes. After ensuring the accuracy of the simulation results, the effect of reasonable estimation on boundary conditions used in each boundary has been studied. Results clearly indicate that by changing the turbulence length scale in a reasonable range at the inlet section of the main channel, maximum variation of the predicted temperature does not exceed 0.6%. By changing the turbulence intensity in a reasonable range at the inlet section of the main channel, maximum variation of the predicted temperature is about 1.8%. By making reasonable suggestions for the inlet velocity profile, maximum variation of the predicted temperature reaches about 3.8%. If there is not enough information about the inlet velocity profile it is strongly recommended to use a profile similar to those of experimental data that is used in this study. Using this profile could reduce maximum effects on the predicted temperature to about 2.2%. Results show that the type of curved profiles used for the inlet temperature causes only 0.7% variation on the temperature of the vane.Close review of the results reveals the fact that the results of the curved profiles are in good agreement with industrial observations. Results show that by changing the turbulence intensity in a reasonable range at the inlet of the cooling section, maximum variation of the predicted temperature is less than 1%. By changing the inlet velocity profile of cooling channel between two extreme profiles, maximum variation of the predicted temperature reaches about 2%.Obviously, these conclusions are applicable to a specific vane, and in general they only represent the scale of variation of the numerical results due to boundary conditions variations. Key Words: Gas Turbine, Conjugate heat transfer, Boundary sensitivity, Cooling.
برای بررسی خنک‌کاری توربین گاز با توجه به هزینه‌های بالای آزمایشات مربوطه نیاز به شبیه سازی توربین وجود دارد. برای یک شبیه سازی واقعی همواره نیاز به اطلاعاتی کامل از شرایط کارکرد توربین وجود دارد که عموما مشخص نیست و بدست آوردن آن مستلزم صرف هزینه‌های زیاد است. لذا ضروری به نظر می‌رسد که میزان ارزش اطلاعات دقیق از شرایط کارکرد توربین گاز مشخص شود تا بدانیم که آیا لازم است برای بدست آوردن این مجهولات هزینه‌های مربوطه صرف شود یا اینکه تاثیر این پارامتر‌ها به قدری نیست که ارزش این هزینه‌های بالا را داشته باشد. از سوی دیگر در صورت تخمین زدن این مقادیر نتایج حاصل تا چه اندازه قابل اعتماد است. به همین منظور در این پژوهش آثار بکار گیری تقریب‌های معقول در مرزهای ناحیه محاسباتی بر روی نتایج شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور در گام نخست یک پره ثابت با استفاده از روش حل همزمان حرارتی به صورت سه بعدی به کمک نرم افزار Fluent شبیه سازی شد. تطابق بسیار خوب نتایج با مقادیر تجربی نشان می‌دهد حل همزمان جریان و انتقال حرارت در سیال و جامد یک روش کارا برای پیش‌بینی وضعیت جریان بر روی پره توربین گاز می‌باشد. پس از کسب اطمینان از صحت نتایج شبیه سازی به بررسی میزان اثر تقریب‌های معقول برای شرایط مرزی مورد استفاده در هریک از مرزهای ناحیه محاسباتی پرداخته شده است. در مرز ورودی کانال اصلی تغییر طول مشخصه اغتشاش در محدوده صنعتیِ مورد بررسی تا 6/0 درصد بر روی دمای سطح پره تاثیر می‌گذارد. میزان این تاثیر بر روی دما با تغییر شدت اغتشاش در مرز ورودی کانال اصلی حداکثر به 8/1 درصد می‌رسد. استفاده از پروفیل‌های معقول و حداکثری برای سرعت جریان ورودی به کانال اصلی می‌تواند تا 8/3 درصد بر روی نتایج دما تاثیر بگذارد. در صورتی که اطلاعات کافی از پروفیل سرعت سیال ورودی در یک توربین صنعتی در دسترس نباشد، توصیه می‌شود که از یک پروفیل میانی مانند پروفیل تجربی مورد استفاده در این پژوهش استفاده شود. با انجام این کار میزان حداکثر خطای ممکن ناشی از دقیق نبودن شرط مرزی بر روی نتایج دمای بدست آمده به حدود2/2 درصد می‌رسد. برای پروفیل دمای جریان ورودی به کانال اصلی نتایج نشان می‌دهد که نوع پروفیل منحنی شکل بکار گرفته شده خیلی تاثیر گذار نیست(میزان تاثیر منحنی بکار رفته بر روی دمای سطح پره کمتر از 7/0 درصد است)، ولی بین نتایج پروفیل منحنی و پروفیل یکنواخت برای دمای سیال ورودی تفاوت نتایج قابل ملاحظه است. از آنجا که روند نتایج مربوط به پروفیل‌های منحنی شکل با مشاهدات تجربی تطابق خوبی دارد لذا شدیدا توصیه می‌شود در صورتی که اطلاعات کافی از پروفیل دمای سیال ورودی در یک توربین صنعتی در دسترس نباشد، که از یک پروفیل منحنی شکل مانند پروفیل تجربی مورد استفاده در این پژوهش استفاده شود. شدت اغتشاش جریان ورودی به کانال‌های خنک کاری تا یک درصد و پروفیل سرعت این جریان تا 2 درصد بر روی دمای بدست آمده در سطح پره تاثیر می‌گذارد. اثر در نظر گرفتن خنک کاری در دیواره‌های انتهای پره با تقریب خوبی قابل صرف نظر است. بدیهی است که مقادیر اعداد مذکور مختص پره مورد بررسی است و در حالت کلی تنها معرف مرتبه بزرگی تاثیرات است. کلمات کلیدی: 1- توربین گاز 2-تحلیل حرارتی 3-حساسیت نتایج به شرایط مرزی 4-حل همزمان انتقال حرارت در جامد و سیال

ارتقاء امنیت وب با وف بومی