Αλληλεπίδραση διαταραχών ροής με οριακό στρώμα πτερυγίου στροβίλου χαμηλής πίεσης:
Creators: name: Σιδερίδης, Αθανάσιος Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Στρόβιλος Χαμηλής Πίεσης
Οριακό Στρώμα
Μετάβαση
Απόρρους
Low Pressure Turbine
Boundary Layer
Transition
Wake

description: Στα πλαίσια της βελτιστοποίησης των επιδόσεων των αεροπορικών κινητήρων αναζητούνται τρόποι αύξησης του βαθμού απόδοσής τους, μείωσης του βάρους τους και ως εκ τούτου του κόστους κατασκευής και λειτουργίας. Ο βέλτιστος σχεδιασμός του στροβίλου χαμηλής πίεσης είναι κρίσιμος, τόσο λόγω της συνεισφοράς του στο συνολικό βάρος του κινητήρα, όσο και λόγω των υψηλών απαιτήσεων μετατροπής ισχύος που του τίθενται. Προς αυτή τη κατεύθυνση και με μεγάλη εντατικότητα οδεύει η έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες με σαφή έμφαση προς την εκμετάλλευση των μη μόνιμων φαινομένων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση απόρρου πτερυγίου και μετάβασης στα οριακά στρώματα της επόμενης συστοιχίας. Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης απόρρου – οριακού στρώματος σε μοντέλο υπό κλίμακα δισδιάστατης συστοιχίας στάτορα ρότορα με τον απόρρου να παράγεται από τα πτερύγια της ανάντη συστοιχίας. Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκε κατάλληλη πειραματική διάταξη. Διεξήχθησαν μετρήσεις θερμού σύρματος με τρόπο πλήρως ελεγχόμενο από ηλεκτρονικό υπολογιστή και αυτοματοποιημένο χάριν της επαναληψιμότητας και της δυνατότητας καταγραφών υψηλής ανάλυσης. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε τόσο σε χρονικά μόνιμη βάση, όσο και σε μη μόνιμη με τη βοήθεια συγχρονισμού κατά φάσεις και επεξεργασία με τη μέθοδο της κανονικής ορθογώνιας αποσύνθεσης. Με τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν σχετικές υπολογιστικές μοντελοποιήσεις του εν λόγω πειράματος. Σκοπός της διατριβής είναι ο έλεγχος της εφαρμογής των φαινομένων μετάβασης που έχουν παρατηρηθεί σε προηγούμενες μελέτες στην προσέγγιση δημιουργίας απόρρου πραγματικού πτερυγίου αντί απλοποιημένων σωμάτων που συχνά χρησιμοποιούνται για πειραματικούς σκοπούς. Επίσης επιδιώχθηκε η εν γένει αξιολόγηση της αντιμετώπισης παραγωγής απόρρου από απλοποιημένα σώματα, καθώς και παράλληλα η δημιουργία αξιόπιστης και λεπτομερούς βάσης δεδομένων μετρημένων μεγεθών για την αξιολόγηση μοντέλων τύρβης σε συνθήκες μετάβασης οριακού στρώματος, όπως αυτό αναπτύσσεται σε βαθμίδες στροβιλομηχανών. Για την επίτευξη των παραπάνω, εξετάστηκε πειραματικά και υπολογιστικά ένας μεμονωμένος στατικός απόρρους δισδιάστατου μοντέλου πτερυγίου αλλά και διενεργήθηκαν μετρήσεις του πεδίου ταχυτήτων εντός του χώρου μεταξύ δύο κινητών πτερυγίων αλλά και εντός του οριακού στρώματός τους. Ο στατικός απόρρους που μελετήθηκε παρατηρήθηκε ότι είναι έντονα μη συμμετρικός και σε σχέση με το πεδίο τύρβης, έντονα ανισότροπος. Η περιοχή που αντιστοιχεί στην πλευρά αναρρόφησης αυτού ομοιάζει ως προς τη δομή του πεδίου τύρβης της τη δομή του απόρρου ενός μη αεροδυναμικού σώματος ενώ η περιοχή της πλευράς πίεσης είναι μια τυπική ελεύθερη διατμητική ροή. Κατά τη μετακίνηση του απόρρου εντός της κινητής συστοιχίας των πτερυγίων, παρατηρήθηκε μεγαλύτερη διεύρυνση του πεδίου τύρβης του σε σχέση με αυτού που παρατηρείται στη βιβλιογραφία σε μετρήσεις απόρρου κυλίνδρων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία διευρυμένης ζώνης επιρροής για μετάβαση παράκαμψης και συνεπώς μεγαλύτερο ποσοστό ενεργοποιημένου οριακού στρώματος που ανθίσταται στην αποκόλληση. Είναι γεγονός ότι παρά τον χαμηλό αριθμό Reynolds λειτουργίας της πειραματικής διάταξης δεν παρατηρήθηκε το φαινόμενο της περιοδικής αποκόλλησης και επανακόλλησης που συναντάται στη βιβλιογραφία για αντίστοιχες συνθήκες ροής. Αυτή η παρατήρηση μπορεί να αξιοποιηθεί στο σχεδιασμό πτερυγίων υπέρ-υψηλής άνωσης.
description: Modern aircraft engines are designed with the aim to achieve high efficiency, low weight, and hence, construction and operation cost. An optimal low pressure turbine design is desirable not only due to the turbine’s contribution to the overall weight but, also, due to its high performance demands. The research trend over the past three decades is clearly headed towards that direction. A major research aspect involves the exploit of the unsteady phenomena that are associated with the interaction of blade wakes and boundary layer transition in the subsequent blade – rows. The object of this thesis is the investigation of the wake – blade interaction in a two dimensional rotor – stator cascade model. For this purpose, a specially built experimental setup was utilized. Fully automated, high density hot - wire measurements were carried out. The data analysis was performed in a steady as well as in an unsteady basis employing the phase averaging technique as well as the proper orthogonal decomposition method. Computational fluid dynamics simulations were also performed for the experiment under investigation and the results were validated against the measured experimental data. The aim of this thesis is the examination of the applicability of the previously reported transition phenomena in the case of transition produced by blade wakes instead of wakes produced by simplified bodies, often used for experimental purposes. Also, a validation of the approach of the use of simplified body wakes was attempted. Along with the above, a detailed database of measured quantities was created for the purpose of validation of turbulence models. For achieving the above, a stationary, two – dimensional blade wake was examined experimentally as well as computationally and also, velocity measurements were carried out in the wake passage as well as in the suction side boundary layer of a cascade under the influence of moving wakes. The static wake under investigation was found to be highly asymmetric and anisotropic regarding its turbulence quantities. Its pressure side flow region resembles that of a typical free shear flow, however, the suction side flow resembles that of a bluff body wake flow. The turbulence kinetic energy field of the convecting wake, inside the wake passage, was found to be spread farther upstream and downstream than in more simplified cases reported in the literature. This leads to the formation of a broader zone of influence for bypass transition and, hence, a higher percentage of turbulent boundary layer that is resistant to separation. Indeed, despite the fact that the cascade was operated in low Reynolds numbers, no periodic separation was observed, although this is a common observation in similar studies. This observation could be utilized in the optimization of the design of highly loaded turbine blades.