Çarpmalı jetli soğutma levhasının sayısal modellenmesi
Numerical modelling of heat transfer distributions on jet impingement cooling plate
Yazar: AHMET HAKAN HIRCA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÜNAL UYSAL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, malzeme teknolojisi oldukça ileri düzeylere ulaşmasına rağmen gaz türbinlerinin giriş sıcaklıkları, kanat malzemelerinin dayanma sıcaklıklarından çok daha yüksektir. Bu nedenle, ileri malzeme teknolojisi ile üretilen türbin kanatlarının da mutlak surette soğutulması gerekmektedir. Soğutmanın bu denli önemli olması, gaz türbini üreticilerini özellikle kanat soğutma teknolojileri konusunda yoğun araştırmalar yapmaya yöneltmiştir. Bu konuda konveksiyon yoluyla soğutma ve çarpmalı jet soğutma gibi iç soğutma yöntemleri, film soğutma ve transprasyon soğutma gibi dıştan soğutma yöntemleri başlıca gaz türbin kanatçıklarının soğutulmasında kullanılan metotlardır.
Pittsburgh Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde Dr. Al-aqal [1] tarafından Sıvı Kristal Termografisi (TLC) yöntemi kullanılarak yapılan çalışmada tek sıralı çapı (D) 9,525 mm olan çarpmalı jet modeli, iki sıralı çapı (D) 4,763 mm olan çarpmalı jet modeli ve üç sıralı çapı (D) 3,18 mm olan çarpmalı jet modeli olmak üzere üç farklı jet plaka modelli vardır. 12,7 mm, 19,05 mm ve 25,4 mm olan üç farklı jet-hedef plaka açıklığına (H) sahip modellerin her biri 22,2 m/s, 28,5 m/s ve 42,8 m/s olan üç farklı giriş hızında kullanılarak ortalama yerel ısı geçiş katsayısının hedef plaka üzerindeki dağılımı deneysel olarak incelemiştir.
Bu çalışmada, deneysel çalışmanın yapıldığı model ve sınır şartları, SST (Shear Stress Transport) k-ω türbülans modeli alınarak, ticari hesaplamalı akışkanlar mekaniği programı kullanılarak sayısal modeldeki hedef plaka yüzeylerindeki ısı geçiş katsayısı dağılımı hesaplanmış ve deneysel çalışma sonuçları ile kıyaslanarak modelin ve HAD programının sonuçlara yaklaşımı araştırılmıştır.
Bölüm 2'de konuyla ilgili olarak gerekli literatür araştırmaları yapılmış olup, sınır şartları, türbülans modelleri, duvar fonksiyonları, akış yapısı ve teoride yapılan kabuller incelenmiştir ve uygun yaklaşımlar seçilmiştir. Bölüm 3'de ise literatür ve deneysel çalışmalarda kullanılan model üzerine sayısal model oluşturulmuş ve gerekli kabuller yapılmıştır. Bölüm 4'de sayısal analiz sonuçları ile deneysel sonuçlar kıyaslanmıştır. Sayısal sonuçların deneysel sonuçlara uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Bölüm 5'de ise genel sonuç ve değerlendirmelere yer verilmiştir.

Abstract:
Nowadays, although the material technology quite reach the inlet temperature of the advanced gas turbine is higher than the withstand temperature of the flap material. Therefore, it is necessary to cool the turbine blades produced in absolute terms of the material technology. This much is important cooling has led to extensive research in gas turbine cooling technology producers, especially the blades. Internal cooling methods such as cooling via convection cooling and impingement, film cooling and external cooling methods such as transpiration cooling methods are mainly used to cool the gas turbine blades.
In this study, University of Pittsburgh's Department of Mechanical Engineering the Thermochromic Liquid Crystals (TLC) thermal method was performed by Dr. Al-aqal [1] and use the experimental jet impingement models in his study; single rows with jet diameter (D) 9,52 mm, couple rows with jet diameter (D) 4,76 mm, triple rows with jet diameter (D) 3,18 mm. This each models tested for three different target plate distance (H) 12,7 mm, 19,05 mm and 25,4 mm with three different inlet velocities 22,2 m/s, 28,5 m/s and 42,8 m/s to investigate effects averaged local heat transfer with experimental method
In this study, experimental models and boundary conditions used same for the numerical modeling study to investigate the heat transfer characteristics on surfaces. Calculation made by SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model using commercial computational fluid dynamics program. Then the obtained numerical results are compared with experimental study results and CFD programs approach investigated.
In Section 2, some research did about the subject such as boundary conditions, wall functions, turbulence modeling and essential data picked for the study. In Section 3, numerical models made according to literature and experimental work with necessary acceptances. Numerical analysis results and experimental results are compared in Section 4. Conclusions take part in Section 5.