Investigation of Effect of Turbulence Intensity on Cross Injection Film Cooling at the Endwall of a Vane
蔡侁達、吳佩學
E-mail: 9806115@mail.dyu.edu.tw
ABSTRACT
This research concerns with a film cooling technique applicable to the protection of the endwalls of a vane. The way film cooling works is to provide a layer of coolant air which effectively separates the vane and the endwalls from the hot-gas environment so that the wall material can be protected. To better simulate the situation in real engines, turbulence intensity is considered in the present study. In the experiments, cross injection coolant flow with offset centerlines was utilized to form better film cooling effectiveness.
The test model is a two-half vane. A computational fluid dynamics (CFD) package was used to simulate the pressure distributions of a linear cascade and a two-half vane counterpart. The opening size of the side gaps in the two-half vane model is determined based on the comparison of the simulation results. The levels of turbulence intensity used in the experiments are T.I. = 1.8%, 7%, and 12%. Other parameters considered in the film cooling experiments include three inlet Reynolds numbers, three blowing ratios (0.5, 1.0, and 2.0), and a forward-facing or a backward-facing endwall step. Thermocromic liquid crystal thermography with steady-state experiments were used for the measurement of the film cooling effectiveness.
Results show that increasing turbulent intensity decreases film cooling effectiveness. The reason for that is the interaction of unsteady, high-turbulence main stream with the injection coolant which disrupts the film coverage, causing the film cooling effectiveness to decrease.
Keywords : cross injection、film cooling effectiveness、liquid crystal thermography、turbulent intensity、endwall Table of Contents
封面內頁 簽名頁
博碩士論文暨電子檔案上網授權書 iii 中文摘要 iv
英文摘要 v 誌謝 vii 目錄 viii
表目錄...x 圖目錄...xi 符號說明 xviii
第一章 緒論 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究目的 5
第二章 國內外相關研究 第三章 研究方法與進行步驟 3.1 實驗系統與測試段 14
3.1.1 雙半葉片模型與膜冷卻孔測試底板設計 14 3.1.2 進口台階設計 15
3.1.3 雙半葉片模型側邊間隙開口大小決定 15 3.1.4 紊流場產生構想與設計 16
3.2 實驗儀器及校正 16 3.2.1 熱偶校正 16 3.2.2 熱線風速儀校正 17 3.2.3 風洞品質鑑定 19
3.2.4 紊流場量測系統 20 3.2.5 膜冷卻流體供應系統 21 3.2.6 液晶校正系統 21 3.3 數據化約基本理論 23 3.4 實驗條件與實驗程序 23 3.5影像擷取系統與影像處理程序 24 3.5.1 影像擷取系統 24
3.5.2 穩態液晶實驗影像處理程序 24 3.6 數據化約流程 25
第四章 結果與討論
4.1 雷諾數對端壁膜冷卻之影響 26 4.2 吹氣比對端壁膜冷卻之影響 27 4.3 台階對端壁膜冷卻之影響 28 4.4 紊流強度對端壁膜冷卻之影響 29 第五章 結論與建議
?考文獻 33 表目錄
表3.1 T型（長型）熱偶校正之標準偏差 39 表3.2 T型（表面）熱偶校正之標準偏差 39 表3.3 Hot wire校正之標準偏差 39
表3.4 穩態液晶求解膜冷卻有效性實驗條件 40 表3.5 實驗所有案例與參數表 41
圖目錄
圖2.1 近端壁二次流動模式(Wang et al.【1】) 43 圖2.2 近端壁二次流動模式(Langston【2】) 43
圖2.3 近端壁二次流動模式(Sharma and Bulter【3】) 44 圖2.4 近端壁二次流動模式(Goldstein and Spores【4】) 44 圖3.1 測試段之雙半葉片模型 45
圖3.2 底板在靜葉片通道內端壁表面膜冷卻孔分佈位置 46 圖3.3 底板膜冷卻孔在靜葉片通道內的噴射方向 46 圖3.4a 台階示意圖：平滑進口台階條件（S/C= 0%） 47 圖3.4b 台階示意圖：前向進口台階條件（S/C=+4%） 47 圖3.4c 台階示意圖：背向進口台階條件（S/C=－4%） 47 圖3.5 測試段之兩側間隙設計 48
圖3.6 全葉片與雙半葉片CFD模擬壓力分佈圖 48
圖3.7 本研究之測試段模型在CFD模擬下的非結構網格及邊界條件設定 49 圖3.8 文獻之測試段線性串級模型在CFD模擬下的非結構網格及邊界條件設定 49 圖3.9 本研究之測試段模型在CFD模擬下的速度分佈 50
圖3.10 文獻之測試段線性串級模型在CFD模擬下的速度分佈50 圖3.11 測試段紊流產生器示意圖 （BR=0.36） 51
圖3.12 測試段紊流產生器示意圖 （BR=0.52） 51 圖3.15 T型熱偶校正結果（#CH3） 53
圖3.16 T型熱偶校正結果（#CH4） 53 圖3.17 T型熱偶校正結果（#CH5） 54 圖3.19 T型熱偶校正結果（#CH7） 55 圖3.21 T型熱偶校正結果（#CH5） 56 圖3.22 T型熱偶校正結果（#CH7） 56 圖3.23 T型熱偶校正結果（#CH8） 57 圖3.24 熱線風速儀實驗校正示意圖 58
圖3.25 boundary layer hot wire校正後電壓與速度曲線回歸圖 58 圖3.26 量測風洞速度場之實驗系統圖 59
圖3.27 開放式風洞系統圖 59 圖3.28 開放式風洞速度場示意圖 60 圖3.29 開放式風洞溫度場示意圖 60
圖3.30 開放式風洞速度場不均勻度示意圖 61 圖3.31 開放式風洞之紊流強度場（BR=0） 61 圖3.32 開放式風洞之紊流強度場（BR=0.36） 62 圖3.33 開放式風洞之紊流強度場（BR=0.52） 62 圖3.34 膜冷卻流體系統示意圖 63
圖3.35 液晶校正系統示意圖 64 圖3.36 液晶校正系統測試段影像圖 65 圖3.37 液晶校正溫度對位置關係圖 65
圖3.38 液晶校正色調值(Hue)對位置(Pixels)關係圖 66 圖3.39 液晶校正溫度(Temperature)對色調值(Hue)關係圖 66 圖3.40 穩態液晶膜冷卻有效性實驗系統圖 67
圖3.41 穩態液晶實驗影像處理流程圖 68 圖3.42 穩態液晶實驗數據化約流程圖 69 圖4.1 底板膜冷卻有效性方向及範圍 70
圖4.2 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=0.5,TI=1.8%) 71 圖4.3 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=1,TI=1.8%) 71 圖4.4 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=2,TI=1.8%) 72 圖4.5 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=0.5,TI=1.8%) 72 圖4.6 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=1,TI=1.8%) 73 圖4.7 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=2,TI=1.8%) 73 圖4.8 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=0.5,TI=1.8%) 74 圖4.9 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=1,TI=1.8%) 74 圖4.10 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=2,TI=1.8%) 75 圖4.11 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=0.5,TI=7%) 75 圖4.12 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=1,TI=7%) 76 圖4.13 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=2,TI=7%) 76 圖4.14 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=0.5,TI=7%) 77 圖4.15 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=1,TI=7%) 77 圖4.16 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=2,TI=7%) 78 圖4.17 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=0.5,TI=7%) 78 圖4.18 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=1,TI=7%) 79 圖4.19 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=2,TI=7%) 79 圖4.20 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=0.5,TI=12%) 80 圖4.21 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=1,TI=12%) 80 圖4.22 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=2,TI=12%) 81 圖4.23 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=0.5,TI=12%) 81 圖4.24 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=1,TI=12%) 82 圖4.25 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=2,TI=12%) 82 圖4.26 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=0.5,TI=12%) 83 圖4.27 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=1,TI=12%) 83 圖4.28 端壁膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=2,TI=12%) 84 圖4.29 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=0.5,TI=1.8%) 84 圖4.30 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=1,TI=1.8%) 85 圖4.31 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=2,TI=1.8%) 85 圖4.32 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=0.5,TI=1.8%)86 圖4.33 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=1,TI=1.8%) 86 圖4.34 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=2,TI=1.8%) 87 圖4.35 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=0.5,TI=7%) 87 圖4.36 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=1,TI=7%) 88 圖4.37 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=2,TI=7%) 88
圖4.38 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=0.5,TI=7%) 89 圖4.39 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=1,TI=7%) 89 圖4.40 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=2,TI=7%) 90 圖4.41 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=0.5,TI=12%) 90 圖4.42 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=1,TI=12%) 91 圖4.43 端壁膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=2,TI=12%) 91 圖4.44 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=0.5,TI=12%) 92 圖4.45 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=1,TI=12%) 92 圖4.46 端壁膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=2,TI=12%) 93 圖4.47 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=0.5,TI=1.8%) 93 圖4.48 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=1,TI=1.8%) 94 圖4.49 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=2,TI=1.8%) 94 圖4.50 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=0.5,TI=7%) 95 圖4.51 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=1,TI=7%) 95 圖4.52 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=2,TI=7%) 96 圖4.53 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=0.5,TI=12%) 96 圖4.54 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=1,TI=12%) 97 圖4.55 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,M=2,TI=12%) 97 圖4.56 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,TI=1.8%) 98 圖4.57 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,TI=1.8%) 98 圖4.58 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,TI=1.8%) 99 圖4.59 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,TI=7%) 99 圖4.60 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,TI=7%) 100 圖4.61 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,TI=7%) 100 圖4.62 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,TI=12%) 101 圖4.63 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,TI=12%) 101 圖4.64 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,TI=12%) 102 圖4.65 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=0.5,TI=1.8%) 102 圖4.66 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=1,TI=1.8%) 103 圖4.67 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=2,TI=1.8%) 103 圖4.68 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=0.5,TI=7%) 104 圖4.69 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=1,TI=7%) 104 圖4.70 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=2,TI=7%) 105 圖4.71 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=0.5,TI=12%) 105 圖4.72 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=1,TI=12%) 106 圖4.73 端壁橫向平均膜冷卻有效性(Re=124000,M=2,TI=12%) 106 圖4.74 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=0.5) 107 圖4.75 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=1) 107 圖4.76 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=92000,M=2) 108 圖4.77 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=0.5) 108 圖4.78 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=1) 109 圖4.79 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=124000,M=2) 109 圖4.80 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=0.5) 110 圖4.81 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=1) 110 圖4.82 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=0%,Re=150000,M=2) 111 圖4.83 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=0.5) 111 圖4.84 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=1) 112 圖4.85 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=4%,Re=124000,M=2) 112 圖4.86 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=0.5) 113 圖4.87 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=1) 113 圖4.88 端壁橫向平均膜冷卻有效性(S/C=-4%,Re=124000,M=2) 114 REFERENCES
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