Jet çarpma ile soğutma sistemi özelliklerinin sayısal araştırılması
Numerical characterization of a jet impingement cooling system
Yazar: EMİN NADİR KAÇAR
Danışman: PROF. DR. LATİFE BERRİN ERBAY
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada gaz türbin motorunda kullanılan ileri soğutma yöntemlerinden biri olan jet çarpma ile soğutma yöntemi incelenmiştir. Jet çarpma ile soğutma sisteminin parametreleri belirlenmiş ve bu parametrelerin toplam soğutma oranı üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Bu gözlem için Ansys Fluent kullanılmıştır. Daha önce test edilmiş, literatürde detayları bulunan modeller hazırlanmış ve programın ne oranda doğru hesaplama yaptığı görülmüştür. Doğrulama çalışmasının ardından programda kullanılan eleman dağılımının (mesh) çözüme etkisini belirlemek amacıyla aynı geometride sırasıyla sınır tabaka ağı ve kesme tabakası ağı yoğunlaştılmış bunlara ek olarak genel eleman boyutları küçültülerek çözümler yapılmıştır. Bu çözümlerde eleman dağılımının "y+" değerine etkisi, "y+" değerinin de sonuçlara etkisi incelenmiştir. Daha sonra gaz türbin motorların çalışma şartlarına uygun olacak şekilde seçilen jet çarpma probleminde bir sabit kanatçığın dört sıra jetinin düz hedef yüzeye çarpan bir sırası çalışılmıştır. Konu geometride 1500 K sıcaklığına, 800 kPa basınca sahip sıcak hava ile temas eden metal; 500 K sıcaklığına ve 400 kPa basınca sahip hava ile soğutulmuştur. Belirlenen problem için soğutma performansının belirleyicileri olarak kanal yüksekliği, jetler arasındaki mesafe ve Reynolds sayısı parametreleri seçilmiştir. 2D, 3D ve 4D olmak üzere üç farklı kanal yüksekliği; 4D, 5D ve 6D olmak üzere üç farklı jetler arası mesafe ve 4000, 5000 ve 10000 olmak üzere üç farklı Re sayısı kullanılarak çözümler alınmıştır. Bunlara ek olarak, aynı çözümler SC03'te gaz türbin uygulamaları için tanımlanmış korelasyonları kullanarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak iki farklı programdan elde edilen çözümlerle jet çarpma sisteminin ısıl performansı farklı parametrelerle karşılaştırılmış, en iyi sonuç veren parametreler belirlenmiştir.

Abstract:
In this study jet impingement cooling method which was one of the advanced cooling methods for gas turbine engine, was investigated. The parameters of jet impingement cooling system were determined and the effect of these parameters to total cooling rate were observed. Ansys Fluent was used for this observation. Models were prepared for the detailed cases tested in literature and the correctness of the calculations was observed. After the validation process, models with the same geometry were solved with denser boundary layer and shear layer mesh and smaller element heights to specify the effect of mesh distribution to the solution. As a result of solutions, effect of mesh distribution to "y+" value and effect of "y+" value to the results were observed. Then, one row of four jet rows impinging to a flat target surface in a nozzle guide vane of a gas turbine engine were simulated due to the operating conditions. In the scope of geometry; metal which was in contact with the air at 1500 K temperature and 800 kPa pressure was cooled via the air at 500 K temperature and 400 kPa pressure. Channel height, distance between jets and Reynolds number were chosen as parameters affecting cooling performance for specified problem. Three different channel height value as 2D, 3D and 4D; three different distance between jets value as 4D, 5D and 6D and three different Re number value as 4000, 5000, 10000 were used for the solutions. In addition to these, using SC03 same cases were solved using predefined correlations for gas turbine applications. As a conclusion, the thermal performance of jet impingement system was compared using two different finite element program with different parameters and the parameters for the best result were specified.