İç soğutma kanallarında türbülatör kullanımının incelenmesi ve rans temelli türbülans modelleriyle benzetimi
Investigation on use of turbulators in internal cooling channels and simulation with rans based turbulence models
Yazar: SEYHUN DURMUŞ
Danışman: PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ ; DOÇ. DR. OĞUZ UZOL
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Gaz türbinli motorlar = Gas turbine engines ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Türbülatörler, gaz türbinli motorlarda ısı transferini arttırmak için türbin kanadının iç soğutma kanallarında kullanılan girdap oluşturucu mekanizmalardır. Bu çalışmada öncelikle gaz türbinli motorlarda genel soğutma konusu işlenmiş, sonra spesifik olarak türbin kanat soğutma kanallarında türbülatör kullanımı detaylı bir şekilde incelenmiştir. Daha sonra türbülans modellemede kullanılan sayısal yöntemler ve RANS temelli türbülans modelleri incelenmiştir. Son olarak, trapezoid soğutma kanalları modellenmiş, modellere ağ atılmış ve modellerin ANSYS Fluent ile sayısal benzetimi yapılmıştır. Modellenen iki geçişli trapezoid kanalın alt ve üst yüzeylerine kare kesitli ribler yerleştirilmiştir. Rib adımının rib boyuna oranı (P/e) 12 olarak seçilmiş; blokaj oranları(e/Dh) dar kanal, geniş kanal ve dönme bölgesi için sırasıyla 0.078, 0.066 ve 0.07 olarak alınmıştır. Ribler kanala önce ana akışa ortogonal(90o), sonra transvers(60o) ve V-şeklinde olacak şekilde yerleştirilerek; rib yerleşimlerinin üç değişik Reynolds sayılarında(16.800, 31.800 ve 57.200) ısı transfer artışı, sürtünme kaybı ve termal performans bakımından karşılaştırması yapılmıştır. Ayrıca iki geçişli kanalda 180o dönme bölgesindeki akış ve ısı transfer karakteristikleri incelenmiş ve kanallar eş genişlikte olmadığından bir nevi daralan-genişleyen türbülatörlü kanal akışı da incelenmiştir. Sayısal çözüm aracı olarak 4 çeşit RANS temelli türbülans modelleri (RKE modeli, SST k-ω modeli, V2f modeli ve Reynolds gerilmeleri modeli) kullanılmıştır. Kanal konfigürasyonları için ikincil akışların, hız vektörlerinin, türbülans şiddetlerinin ve yerel Nusselt sayısı dağılımlarının gösterimi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılarak çalışılan türbülans modellerinin deneysel çalışmayla doğruluk ve yakınsama bakımından paralel sonuçlar verip vermediği tespit edilmiştir.

Abstract:
Turbulators are the turbulence forming mechanisms used in turbine blade internal cooling channels to improve heat transfer in gas turbine engines. In this study, firstly general cooling issues in gas turbine engines have been discussed and later specifically the use of turbulators in cooling channels of turbine blades have been studied in detail. Then, numerical methods in turbulence modeling and RANS based turbulence models have examined. Finally trapezoidal cooling channels have been modeled, meshed and simulated numerically in ANSYS Fluent. Square cross-section ribs have been placed in upper and lower surfaces of designed two-pass trapezoidal smooth channel. Rib pitch to rib height has taken 12 and blockage ratios (e /Dh) of narrow channel, bend section and large channel have taken respectively 0.078, 0.066 and 0.07. Ribs have been positioned orthogonal to the main flow (90o), then transverse (60°) and V-shaped. Heat transfer enhancements, friction losses and thermal performance comparisons of the rib configurations have been made for three different Reynolds numbers (16.800, 31.800 and 57.200). In addition to this, heat transfer characteristics of 180o bend flow in two-pass channel and extraction-contraction of channel flow with turbulators have also examined due to unequality of channel widths. Four kinds of RANS based turbulence models (RKE model, the SST k-ω model, V2F model and Reynolds stress model) have been used as a tool of numerical simulation. As a result, screenings of secondary flows, velocity vectors, turbulence intensities and distributions of Nusselt numbers have performed for each cooling channel configuration. Furthermore, the obtained results have been compared with the experimental data and the studied turbulence models have been identified in terms of accuracy and convergence whether give similar results with experimental data.