Impacto del Gradiente de Presión en Dirección de Flujo en Agujeros de Enfriamiento por Película Conformados Usando Simulación de Grandes Remolinos
Autores: Yang, Yifan; Hu, Kexin; Ma, Can; Su, Xinrong; Yuan, Xin
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Impacto del Gradiente de Presión en Dirección de Flujo en Agujeros de Enfriamiento por Película Conformados Usando Simulación de Grandes Remolinos
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Entornos de palas de turbina
Gradientes de presión en la dirección del flujo
Rendimiento de enfriamiento por película
Simulación de Grandes Remolinos
Relaciones de soplado
Interacciones entre el refrigerante y el flujo principal
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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En entornos de palas de turbina, la combinación de la curvatura de la pala y el flujo acelerado da lugar a gradientes de presión a lo largo del flujo (SPGs), que impactan sustancialmente en las interacciones entre el refrigerante y el flujo principal. Este estudio investiga el efecto de los SPGs en el rendimiento de enfriamiento por película utilizando Simulación de Grandes Vórtices (LES) para un orificio de enfriamiento con forma a una relación de densidad de DR=1.5 bajo dos relaciones de soplado: M=0.5 y M=1.6. Se examinan tanto las condiciones de gradiente de presión favorable (FPG) como las de gradiente de presión cero (ZPG). Las predicciones de LES se validan contra datos experimentales en el caso de alta relación de soplado, confirmando la precisión del método numérico. El análisis comparativo de los campos de flujo promediados en el tiempo indica que, a M=1.6, el FPG mejora la adherencia de la corriente de refrigerante a la pared, reduce el grosor de la capa límite y suprime la dispersión vertical. Los pares de vórtices de contrarrotación (CVRPs) también se comprimen en este proceso, lo que lleva a una mejora en el enfriamiento aguas abajo. Sin embargo, a M=0.5, el ZPG promueve una mayor dispersión lateral del refrigerante cerca de la salida del orificio, resultando en un rendimiento de enfriamiento en el campo cercano superior. También se analizan las estructuras de flujo instantáneas para explorar más a fondo la dinámica no estacionaria que rige el enfriamiento por película. El criterio Q expone la formación y evolución de vórtices coherentes, incluidos vórtices en forma de horquilla, vórtices de capa de cizallamiento y vórtices en forma de herradura. En comparación con el ZPG, el caso de FPG exhibe un mayor número de vórtices en forma de horquilla aguas abajo identificados por el gradiente de densidad, y este efecto es particularmente pronunciado en la relación de soplado más baja. La inestabilidad de la capa de cizallamiento se evalúa utilizando el número de gradiente local Ri, revelando una amplia inestabilidad de Kelvin-Helmholtz cerca de la interfaz del chorro. Además, el análisis de Transformada Rápida de Fourier (FFT) muestra que el FPG desplaza la energía de perturbación a frecuencias más bajas con amplitudes más altas, indicando una mayor disipación turbulenta y una intensificación de la mezcla del refrigerante a una baja relación de soplado.
Descripción
En entornos de palas de turbina, la combinación de la curvatura de la pala y el flujo acelerado da lugar a gradientes de presión a lo largo del flujo (SPGs), que impactan sustancialmente en las interacciones entre el refrigerante y el flujo principal. Este estudio investiga el efecto de los SPGs en el rendimiento de enfriamiento por película utilizando Simulación de Grandes Vórtices (LES) para un orificio de enfriamiento con forma a una relación de densidad de DR=1.5 bajo dos relaciones de soplado: M=0.5 y M=1.6. Se examinan tanto las condiciones de gradiente de presión favorable (FPG) como las de gradiente de presión cero (ZPG). Las predicciones de LES se validan contra datos experimentales en el caso de alta relación de soplado, confirmando la precisión del método numérico. El análisis comparativo de los campos de flujo promediados en el tiempo indica que, a M=1.6, el FPG mejora la adherencia de la corriente de refrigerante a la pared, reduce el grosor de la capa límite y suprime la dispersión vertical. Los pares de vórtices de contrarrotación (CVRPs) también se comprimen en este proceso, lo que lleva a una mejora en el enfriamiento aguas abajo. Sin embargo, a M=0.5, el ZPG promueve una mayor dispersión lateral del refrigerante cerca de la salida del orificio, resultando en un rendimiento de enfriamiento en el campo cercano superior. También se analizan las estructuras de flujo instantáneas para explorar más a fondo la dinámica no estacionaria que rige el enfriamiento por película. El criterio Q expone la formación y evolución de vórtices coherentes, incluidos vórtices en forma de horquilla, vórtices de capa de cizallamiento y vórtices en forma de herradura. En comparación con el ZPG, el caso de FPG exhibe un mayor número de vórtices en forma de horquilla aguas abajo identificados por el gradiente de densidad, y este efecto es particularmente pronunciado en la relación de soplado más baja. La inestabilidad de la capa de cizallamiento se evalúa utilizando el número de gradiente local Ri, revelando una amplia inestabilidad de Kelvin-Helmholtz cerca de la interfaz del chorro. Además, el análisis de Transformada Rápida de Fourier (FFT) muestra que el FPG desplaza la energía de perturbación a frecuencias más bajas con amplitudes más altas, indicando una mayor disipación turbulenta y una intensificación de la mezcla del refrigerante a una baja relación de soplado.