Hiệu năng làm mát của dòng hòa trộn trong lá cánh tuabin sử dụng hình dạng lỗ hội tụ phân kì

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁ CH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Hiệu làm mát dòng hòa trộn cánh tuabin sử dụng hình dạng lỗ hội tụ phân kì NGUYỄN ĐỨC ANH anh.nd150091@sis.hust.edu.vn Chuyên ngành Kĩ thuật Hàng không Giáo viên hướng dẫn: TS Đinh Công Trường Bộ môn: Viện: Kĩ thuật Hàng không Vũ trụ Cơ khí Động lực HÀ NỘI, 07/2021 Chữ kí GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Đức Anh Đề tài luận văn: Hiệu làm mát dòng hòa trộn cánh tuabin sử dụng hình dạng lỗ hội tụ phân kì Chun ngành: Kỹ thuật Hàng khơng Mã số SV: 20202607M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: - Sửa lại định dạng luận văn - Sửa lại cách trích dẫn tài liệu tham khảo theo định dạng mẫu - Bổ sung bảng miêu tả rõ B1, B2, F1, F2, S1, S2 - Bổ sung thêm y+ trường hợp Ngày 20 tháng 10 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Đinh Công Trường Nguyễn Đức Anh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Vũ Đình Quý PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: Nguyễn Đức Anh Điện thoại liên lạc: (+84) (0) 399 111 15 Email: anh.nd150091@sis.hust.edu.vn Lớp: Kĩ sư Chất lượng cao - Cơ khíHàng khơng K60 Hệ đào tạo: Chính quy Luận văn Thạc sĩ thực tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Thời gian làm Luận văn Thạc sĩ: Ngày giao nhiệm vụ: 14/12/2020 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/07/2021 Mục đích luận văn thạc sĩ: Khảo sát hiệu suất trao đổi nhiệt phương pháp làm mát màng phân phối bề mặt cánh tuabin sử dụng thiết kế lỗ mở rộng sang hai bên dạng hội tụ phân kì Các nhiệm vụ cụ thể luận văn thạc sĩ: Tìm hiểu phương pháp làm mát cánh tuabin Tìm hiểu lý thuyết phương pháp làm mát kiểu màng phân phối So sánh kết mô với kết công bố So sánh đánh giá hình dạng lỗ hội tụ phân kìđược thiết kế Lời cam kết sinh viên: Tôi - Nguyễn Đức Anh - cam kết luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Đinh Công Trường Các kết nêu luận văn thạc sĩ trung thực, khơng chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 15 tháng 07 năm 2021 Tác giả LVTS Nguyễn Đức Anh Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn thạc sĩ cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn TS Đinh Cơng Trường TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Phương pháp làm mát kiểu màng phân phối sử dụng rộng rãi cánh tuabin nhằm mục đích giảm nhiệt độ dịng khí từ buồng đốt xả tác động trực tiếp lên cánh Để tăng hiệu suất làm mát phương pháp làm mát kiểu màng phân phối người ta sử dụng nhiều loại lỗ dẫn dịng khílàm mát có hình dạng khác Dựa nghiên cứu công bố báo quốc tế, luận văn thạc sĩ này, phần mềm ANSYS sử dụng để nghiên cứu việc thay đổi hình dạng lỗ hình trụ sang lỗ kiểu hội tụ - phân kỳ Sẽ có hai hình dạng lỗ khảo sát tương ứng với lỗ dạng hội tụ lỗ dạng phân kì Để đánh giá ảnh hưởng thay đổi, thơng số hình học lỗ thay đổi thông số khác giữ không đổi giá trị kiểm định (hình trụ) Bài tốn phân tích sử dụng phương trình Navier-Stock trung bình hóa (RANS) mơ hình rối SST k - ω sử dụng để giải tốn với độ xác cao với giá trị y+ nhỏ Kết mô số hiệu suất làm mát trường hợp lỗ hình trụ kiểm định với hai báo quốc tế, có thực thực nghiệm mô số Khi cải tiến hình dạng lỗ, kết mơ cho thấy rằng, hai thay đổi hình dạng làm tăng hiệu suất làm mát cánh tuabin so với dạng lỗ hình trụ Đặc biệt, dạng lỗ mở rộng sang hai bên lối cho hiệu suất tăng lớn nhất, đạt 60.787% so với lỗ hình trụ Từ khóa: Làm mát cánh tuabin, làm mát kiểu màng phân phối, lỗ làm mát hội tụ - phân kì, hiệu suất làm mát kiểu màng phân phối LỜI MỞ ĐẦU Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới môn Kỹ thuật Hàng khơng Vũ trụ, viện Cơ khí Động lực cho phép thực luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn mà thầy hướng dẫn TS Đinh Công Trường dành cho Thầy hướng dẫn chu đáo tận tình bảo tơi suốt q trình làm luận văn, bổ sung thêm cho kiến thức chuyên ngành quan trọng, truyền cảm hứng, động viên giúp đỡ tơi nhiều suốt thời gian qua Nhờ có hướng dẫn tận tâm thầy mà luận văn Thạc sĩ tơi hồn thành có kết tốt Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy thuộc môn Kĩ thuật Hàng không Vũ trụ, viện Cơ khí Động lực, trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho thực hoàn thành luận văn Thạc sĩ Cuối tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn học anh chị sinh viên khóa trước đưa góp ý, bổ sung giúp tơi hồn thiện luận văn Thạc sĩ cách tốt Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 15 tháng 07 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Đức Anh MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 12 1.1 Làm mát cánh tuabin 12 1.2 Làm mát kiểu tạo màng 15 1.3 Kiến thức làm mát kiểu màng 16 1.4 Các nghiên cứu thực 18 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ 22 2.1 Mơ hình nghiên cứu 22 2.2 Phương pháp mô 24 2.2.1 Các hàm hiệu 24 2.2.2 Chia lưới 26 2.2.3 Điều kiện biên 27 2.2.4 Điều kiện hội tụ 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Kiểm tra ổn định lưới kiểm định kết 29 3.2 Ảnh hưởng đầu vào mở rộng sang hai bên 34 3.3 Ảnh hưởng đầu mở rộng sang hai bên 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN 43 4.1 Kết luận 43 4.2 Hướng phát triển tương lai 43 BÀI BÁO CÔNG BỐ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Làm mát cánh tuabin cao áp 12 Hình 1.2 Phân bố dòng làm mát cho cánh tuabin 13 Hình 1.3 Hiệu suất động nhiệt độ đầu vào vùng tuabin 14 Hình 1.4 Làm mát cánh tuabin 14 Hình 1.5 Làm mát bên 15 Hình 1.6 Làm mát kiểu đối lưu 15 Hình 1.7 Làm mát kiểu màng phân phối 15 Hình 1.8 Mơ hình hóa dịng qua cánh tuabin 16 Hình 1.9 Phân bố nhiệt bề mặt cánh tuabin 16 Hình 1.10 Các lỗ bố trí cánh 17 Hình 1.11 Thơng số hình dạng lỗ 17 Hình 1.12 Hình dạng lỗ thử nghiệm Saumweber 19 Hình 1.13 Mơ hình thử nghiệm Zhang Hassan 20 Hình 1.14 Mơ hình nghiên cứu Liu 20 Hình 1.15 Hình dạng lỗ nghiên cứu Hồng Văn Quản 21 Hình 1.16 Các hình dạng lỗ nghiên cứu Nguyễn Tá Hòa 21 Hình 2.1 Mơ hình kiểm định với lỗ hình trụ 22 Hình 2.2 Kích thước mơ hình 22 Hình 2.3 Hình dạng lỗ hội tụ (2D): (a) Mở rộng đầu vào; (b) Mở rộng đầu 23 Hình 2.4 Hình dạng lỗ hội tụ - phân kì(2D) 24 Hình 2.5 Hình dạng lỗ hội tụ - phân kì(3D) (a) TH1; (b) TH2; (c) TH3; (d) TH4; (e) TH5; (f) TH6 24 Hình 2.6 Mơ hình ngun lí làm mát kiểu màng 25 Hình 2.7 Mơ hình lưới (lỗ hình trụ) 26 Hình 2.8 Lưới loại O sử dụng lần liên tiếp (lỗ hình trụ) 26 Hình 2.9 Mơ hình lưới (mở rộng đầu lỗ) 26 Hình 2.10 Lưới loại O sử dụng lần liên tiếp (lỗ mở rộng) 27 Hình 2.11 Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Determinant 2x2x2 27 Hình 3.1 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ hình trụ) 29 Hình 3.2 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ trụ mở rộng theo TH1) 30 Hình 3.3 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ trụ mở rộng theo TH2) 30 Hình 3.4 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ trụ mở rộng theo TH3) 30 Hình 3.5 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ trụ mở rộng theo TH4) 31 Hình 3.6 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ trụ mở rộng theo TH5) 31 Hình 3.7 Phân bố giá trị y+ tường (lỗ trụ mở rộng theo TH6) 31 Hình 3.8 Kiểm tra ổn định lưới 32 Hình 3.9 So sánh kết thu với báo quốc tế 33 Hình 3.10 (a) Lưới lỗ nghiên cứu tại; (b) Lưới lỗ Lee Kim 33 Hình 3.11 Các vector vận tốc mặt phẳng x - z vị trí y/D = 34 Hình 3.12 Các contour vận tốc mặt phẳng x - z vị trí y/D = 34 Hình 3.13 Mơ hình mở rộng lỗ đầu vào sang hai bên 35 Hình 3.14 Hiệu suất làm mát trung bình bề mặt kênh 35 Hình 3.15 Contours vận tốc mặt phẳng x-z y/D= [m/s]: (a) Lỗ hình trụ, (b) Mở rộng 1.5D, (c) Mở rộng 2D, (d) Mở rộng 2.5D, (e) Mở rộng 3D 36 Hình 3.16 Contours nhiệt độ mặt phẳng x-y z/D = [℃]: (a) Lỗ hình trụ, (b) Mở rộng 1.5D, (c) Mở rộng 2D, (d) Mở rộng 2.5D, (e) Mở rộng 3D 38 Hình 3.17 Mở rộng lỗ đầu sang hai bên 38 Hình 3.18 Hiệu suất làm mát trung bình bề mặt kênh chính: (a) Hiệu suất trung bình cạnh bên ( 𝜂𝑙 ), (b) Hiệu suất trung bình mặt ( 𝜂𝑠 ) 40 Hình 3.19 Phân bố hiệu suất làm mát mặt phẳng x-y vị trí z/D = 0: (a) lỗ hình trụ, (b) mở rộng 1.5D, (c) mở rộng 2D, (d) mở rộng 2.5D, (e) mở rộng 3D 41 Hình 3.20 Đường Streamline vận tốc: (a) Lỗ hình trụ; (b) Lỗ mở rộng vị trí 3D 42 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thơng số hình học lỗ mở rộng 23 Bảng 2.1 Điều kiện biên 28 Sử dụng phương pháp số để tính tốn Do đó, khơng thể tránh sai số q trình tính tốn Số lượng lưới ảnh hưởng nhiều đến kết tính tốn Nếu số lượng lưới q nhỏ, sai số lớn tượng xảy gần tường khơng tính đến trao đổi nhiệt Do tốn cần việc tính tốn xác trao đổi nhiệt gần tường, cần chia lưới đủ nhỏ sát tường để có kết chấp nhận Để tìm hệ thống lưới tối ưu, thử nghiệm hội tụ lưới thực Hình 3.4 Năm loại lưới khác với số lượng lưới 600.000, 1.000.000, 1.700.000, 2.200.000 2.700.000 tương ứng với Mesh1, Mesh2, Mesh3, Mesh4, Mesh5 thử nghiệm Hình 3.4 cho thấy ảnh hưởng số lượng lưới đến hiệu suất làm mát màng tường phía kênh Kết số lượng lưới có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm mát màng số lượng lưới nhỏ triệu số lượng lưới 1.5 triệu kết không thay đổi nhiều Từ kết ta thấy ảnh hưởng số lượng lưới đến kết tốn lớn Hình 3.8 Kiểm tra ổn định lưới Theo đồ thị hình 3.4, ta thấy trường hợp 0.6 triệu lưới triệu lưới, phần trăm sai lệch loại lưới khác lớn Tuy nhiên, phần trăm sai lệch trung bình trường hợp 2.2 triệu lưới so với trường hợp 1.7 triệu lưới 0.56%, phần trăm sai lệch trung bình trường hợp 2.7 triệu lưới so với trường hợp 2.2 triệu lưới 0.46% Từ ta thấy, lưới hội tụ cho kết tốt, ổn định trường hợp 1.7 triệu lưới Để tiết kiệm tài nguyên, thời gian tính tốn đảm bảo độ xác tính tốn, số lượng lưới tối ưu 1.7 triệu lưới chọn cho trường hợp mơ cịn lại Để kiểm định kết tính tốn, kết mơ so sánh với liệu thực nghiệm Saumwebere cộng [9] kết mô số Lee Kim [23], điều kiện (L/D = 6.0 α = 30°) Hình 3.5 Mơ hình lưới 1.7 triệu sử dụng để so sánh đưa kết hợp với liệu thử nghiệm với sai số trung bình 0.636% sai số lớn 10.628% vị trí x/D = 19 Điều xảy phần sai số hệ thống thí nghiệm với sai 32 số số Mach phạm vi ±1.6%, sai số thiết lập tỷ lệ thổi ±2%, sai số tỷ lệ khối lượng riêng ±1.7% Tuy nhiên, sai số trung bình mơ nhỏ nhiều so với kết mô số Lee Kim [23], với mức sai số trung bình tác giả so với thực nghiệm 9.691% Để có kết tốt chất lượng lưới cải thiện nhiều so với mô số Lee Kim [23] Đồng thời, lưới gần tường xử lý cẩn thận tốt nhiều Hình 3.9 So sánh kết thu với báo quốc tế (a) (b) Hình 3.10 (a) Lưới lỗ nghiên cứu tại; (b) Lưới lỗ Lee Kim 33 Trong mơ hình lưới Lee Kim [23], lưới thành lỗ chưa xử lí tốt với kích thước phần tử gần tường lớn Trong nghiên cứu này, tính tốn xử lí triệt để lưới khu vực quan trọng khu vực lỗ, lưới dạng O sử dụng hai lần lưới chia với kích thước nhỏ sát thành lỗ, làm cho tốn trở nên xác Chính vậy, kết kiểm định so với thực nghiệm mơ tơi có sai số nhỏ kết mô Lee Kim [23] Hình 3.8 cho thấy vectơ vận tốc mặt phẳng x - z y/D = cho lỗ hình trụ Trong lỗ hình dạng này, tốc độ dòng chảy tăng mạnh gần thành lỗ dòng chảy tiến cửa xả, vùng xốy tuần hồn lớn xảy gần đầu vào phía lỗ làm mát Hiện tượng gọi hiệu ứng phun tia (Jetting effect) Do phân bố không đồng vận tốc gây hiệu ứng phun tia, dịng khílàm mát bị chèn ép có động lượng cao cục lối phía lỗ Điều thúc đẩy xâm nhập dịng làm mát vào dịng chính, gây tách rời dòng làm mát khỏi bề mặt làm mát làm giảm hiệu suất làm mát Hình 3.11 Các vector vận tốc mặt phẳng x - z vị trí y/D = Hình 3.12 Các contour vận tốc mặt phẳng x - z vị trí y/D = 3.2 Ảnh hưởng đầu vào mở rộng sang hai bên Để tăng hiệu suất trao đổi nhiệt giảm hiệu ứng phun tia, mở rộng sang hai bên lỗ đầu vào biện pháp mang lại hiệu cao Mở rộng lỗ sang hai bên mang lại hiệu suất làm mát cao mở rộng phía trước phía sau lỗ Vận tốc lỗ trở nên rối trước xả ngồi lỗ 34 Hình 3.13 Mơ hình mở rộng lỗ đầu vào sang hai bên Hình 3.10 thể tăng hiệu suất làm mát trung bình mặt tất vị trí mở rộng với hiệu suất tăng 2.182% vị trí mở rộng 1.5D so với trường hợp lỗ hình trụ (trường hợp tham chiếu) Hiệu suất làm mát lớn đạt xung quanh vị trímở rộng 3D Trong khoảng này, hiệu suất làm mát trung bình mặt tăng sấp xỉ 4.456% vị trí mở rộng 3D 4.425% vị trí mở rộng 2.5D so với lỗ hình trụ Bởi lỗ đầu khơng thay đổi nên hiệu suất làm mát cải thiện không lớn tăng hiệu suất chủ yếu ổn định dòng chảy lỗ Tuy nhiên, giới thiệu phần trước, cánh tuabin gồm nhiều hàng lỗ khác nhau, vậy, mở rộng lỗ không ảnh hưởng đến lỗ khác không ảnh hưởng đến cấu trúc cánh Khi mở rộng đến vị trí 3D lỗ đầu vào, tốn nhiều không gian cho lỗ bị lấn sang vị trí lỗ bên cạnh gây ảnh hưởng đến cấu trúc cánh Do đó, để cấu trúc cánh bền vững đạt hiệu làm mát tốt trường hợp mở rộng 2.5D cho kết tối ưu Hình 3.14 Hiệu suất làm mát trung bình bề mặt kênh Từ contours vận tốc mặt phẳng x-z vị trí y/D=0 Hình 3.11, dịng chảy lỗ ổn định với mở rộng sang hai bên lỗ hội tụ Khi mở rộng theo cách này, vùng xoáy tuần hồn giảm bớt làm cho 35 dịng lỗ đầu vào bị chèn ép phía trước lỗ, giảm tượng phun tia, dòng chảy vào mượt hơn, lỗ bị xốy bị rối Đặc biệt, trung bình động rối tương ứng lỗ trường hợp vị trí mở rộng 2.5D 3D so với trường hợp lỗ hình trụ 30.417, 30.618 33.232 [J/Kg] Điều cho ta biết rằng, lỗ mở rộng 2.5D 3D có dịng chảy ổn định Do đó, hiệu suất làm mát trường hợp lỗ hội tụ lớn hơn, nhiên tăng đến giới hạn định Vìlído này, Hình 3.10 hiệu suất làm mát màng vị trí mở rộng 3D gần khơng thay đổi so với trường hợp vị trí mở rộng 2.5D (a) (b) (c) (d) (e) Hình 3.15 Contours vận tốc mặt phẳng x-z y/D= [m/s]: (a) Lỗ hình trụ, (b) Mở rộng 1.5D, (c) Mở rộng 2D, (d) Mở rộng 2.5D, (e) Mở rộng 3D 36 Từ kết phân bố nhiệt độ dải nhiệt độ bề mặt kênh Hình 3.12 ta thấy, lượng nhiệt giảm đáng kể gần lỗ đầu lượng nhiệt ta thấy giảm mạnh ta mở rộng lỗ nhiều Ta thấy rõ khác biệt so sánh lỗ hình trụ với lỗ mở rộng 2.5D lỗ mở rộng 3D Các contour nhiệt trường hợp mở rộng 2.5D 3D đậm màu so với trường hợp lỗ hình trụ Cụ thể, lượng nhiệt giảm trung bình 1.5°𝐾, với số khu vực nhiệt độ giảm cao khoảng 3.9°𝐾 trường hợp lỗ mở rộng 3D (310.6°𝐾) so với lỗ hình trụ (314.5°𝐾) Tuy lượng nhiệt giảm nhẹ bề mặt, lượng nhiệt giảm làm tăng hiệu suất làm mát tương đối lớn (a) (b) (c) (d) 37 (e) Hình 3.16 Contours nhiệt độ mặt phẳng x-y z/D = [℃]: (a) Lỗ hình trụ, (b) Mở rộng 1.5D, (c) Mở rộng 2D, (d) Mở rộng 2.5D, (e) Mở rộng 3D 3.3 Ảnh hưởng đầu mở rộng sang hai bên Để tránh dịng nóng tiếp xúc với bề mặt cánh tua bin, mở rộng sang hai bên lỗ đầu biện pháp mang lại hiệu cao Đây phương pháp mở rộng mang lại hiệu suất làm mát cao kiểu lỗ mở rộng Mở rộng theo cách này, dịng khílàm mát lan truyền rộng bề mặt cần làm mát, làm cho dòng làm mát bao phủ diện tích lớn bề mặt Từ đó, làm tránh tác động dịng nóng lên bề mặt làm tăng đáng kể hiệu suất làm mát Mở rộng theo cách làm giảm tốc độ dòng lạnh đến dịng nóng vận tốc cục dòng lạnh lối miệng trước lỗ Cách mở rộng làm giảm xâm nhập dòng dịng khí làm mát vào dịng chính, tránh gây tách rời dòng làm mát khỏi bề mặt cánh làm tăng hiệu suất làm mát màng Ngoài ra, việc mở rộng lỗ thoát làm giảm diện tích bề mặt cánh tuabin, tăng diện tích tiếp xúc với dịng lạnh Do đó, hiệu suất cải thiện đáng kể Hình 3.17 Mở rộng lỗ đầu sang hai bên Để chứng minh tính hiệu hình dạng lỗ phân kì (TH6), phân bố hiệu suất làm mát màng trung bình theo đường ngang lỗ mở rộng sang hai bên so sánh với lỗ hình trụ đồ thị Hình 3.14 (a) Các hình dạng lỗ phân 38 kì vùng lớn hiệu suất làm mát lan tỏa vượt trội dòng làm mát so với lỗ hình trụ Đặc biệt, Hình 3.14 (a), có tăng đáng kể hiệu suất làm mát khoảng từ 0.22 đến 0.34 đạt xung quanh vị trí x/D = Ở vùng (x/D = 2), hiệu suất làm mát tăng 50% vị trí mở rộng 1.5D Ta thấy hiệu suất làm mát giảm nhanh x/D tăng, đặc biệt vùng x/D > 10 Hình 3.14 (b) thể hiệu suất trung bình mặt lỗ mở rộng so với lỗ hình trụ Ngay vị trí mở rộng 1.5D, ta có hiệu suất làm mát trung bình mặt tăng đến 27.197% hiệu suất làm mát cao 60.787% vị trí mở rộng 3D so với lỗ hình trụ Hiệu suất làm mát tăng vị trí Tuy nhiên, vị trí mở rộng 3D, lỗ rộng, hiệu suất làm mát tăng không nhiều so với trường hợp 2.5D (tăng 57.744 % so với lỗ hình trụ) Từ đây, ta thấy, hiệu suất vị trí mở 3D tăng không đáng kể so với trường hợp 2.5D Vì mở rộng q, vận tốc dịng lạnh bị giảm làm cho dòng lạnh dễ bị dòng nóng hồ trộn trơi theo (vận tốc 35.4 m/s so với 33.7 m/s tương ứng với trường hợp mở rộng 2.5D 3D), đó, khơng làm tăng hiệu suất làm mát lên nhiều Ngoài ra, giải thích trường hợp mở rộng sang hai bên đầu vào lỗ (TH3), vìtrên cánh tuabin có nhiều lỗ làm mát nên mở rộng đến vị trí 3D, cấu trúc cánh bị thay đổi nhiều, giảm độ cứng vững Vì vậy, trường hợp này, mở rộng vị trí 2.5D vị trí tối ưu cho cánh tuabin (a) 39 (b) Hình 3.18 Hiệu suất làm mát trung bình bề mặt kênh chính: (a) Hiệu suất trung bình cạnh bên ( 𝜂𝑙 ), (b) Hiệu suất trung bình mặt ( 𝜂𝑠 ) Hình 3.15 contour phân bố hiệu suất làm mát mặt phẳng x - y vị tríz/D = Hiệu suất làm mát tăng mạnh, chủ yếu khu vực sau miệng lỗ Lỗ mở rộng, hiệu suất làm mát giảm nhanh với tăng x/D, tức là, hiệu suất làm mát miệng lỗ tăng mạnh giảm nhanh xa khỏi lỗ Bởi vì, lỗ mở q rộng, dịng chảy xả mỏng nhanh chóng bị dịng nóng hịa trộn Từ đó, dịng phía xa khơng cịn mát nên nhiệt độ cao x/D lớn Từ kết này, khoảng cách lỗ liên tiếp cần tính tốn để có hiệu suất làm mát cao cánh tua bin (a) (b) 40 (c) (d) (e) Hình 3.19 Phân bố hiệu suất làm mát mặt phẳng x-y vị trí z/D = 0: (a) lỗ hình trụ, (b) mở rộng 1.5D, (c) mở rộng 2D, (d) mở rộng 2.5D, (e) mở rộng 3D Hình 3.16 mơ tả dịng chảy dịng lạnh qua lỗ chảy bề mặt cần làm mát trường hợp lỗ hình trụ lỗ mở rộng 3D Đối với lỗ hình trụ, dịng lạnh ln chảy khn khổ lỗ hình trụ (chỉ chảy xung quanh đường tâm lỗ) Điều làm cho hiệu suất làm mát khơng tăng cao dịng lạnh bao phủ vùng diện tích bề mặt định xung quanh tâm lỗ Tuy nhiên, trường hợp lỗ mở rộng sang hai bên đầu ra, dòng phân bổ sang hai bên, tránh tiếp xúc dịng nóng bề mặt Từ đó, giải thích cho việc hiệu suất làm mát lại tăng trường hợp lỗ mở rộng sang hai bên 41 (a) (b) Hình 3.20 Đường Streamline vận tốc: (a) Lỗ hình trụ; (b) Lỗ mở rộng vị trí 3D 42 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Trong nghiên cứu này, mơ hình lỗ mở rộng sang hai bên hội tụ phân kì đề xuất để tìm ảnh hưởng chúng đến hiệu suất làm mát màng sử dụng phân tích RANS mơ hình rối k-𝜔 SST Năm mơ hình lưới khảo sát để tìm lưới tối ưu Sự hội tụ lưới kiểm tra số lượng lưới khoảng 1.7 triệu phù hợp cho tính tốn cho kết mô đáng tin cậy Kết mô so sánh với liệu thực nghiệm Saumwebere cộng [9] kết mô số Lee Kim [23] điều kiện biên, cho thấy kết trùng khớp với liệu thực nghiệm xác so với kết mô số Lee Kim [23] Sau lưới kiểm định xác thực với kết thực nghiệm, hai loại hình dạng lỗ dẫn dịng làm mát đưa vào khảo sát cho kết tốt Ở hai hình dạng lỗ, hiệu suất tăng so với trường hợp lỗ trụ Trong đó, hiệu suất tăng nhiều 60.787% vị trí mở rộng 3D trường hợp lỗ phân kì mở rộng sang hai bên Đối với trường hợp mở rộng sang hai bên lỗ hội tụ, hiệu suất tăng cao 4.456% vị trí mở rộng 3D Trong hai trường hợp, hiệu suất tăng chủ yếu giảm tượng phun tia giảm xoáy lỗ làm cho dịng khỏi lỗ có vận tốc hơn, giảm tách dịng bề mặt kênh tăng diện tích bao phủ dịng làm mát Từ đó, hiệu suất tăng lên đáng kể 4.2 Hướng phát triển tương lai Để nghiên cứu trọn vẹn nữa, nghiên cứu tiếp theo, tiếp tục khảo sát trường hợp có kết hợp loại lỗ mở rộng để tìm trường hợp kết hợp tốt Ngoài ra, việc khảo sát vị trí cố định chưa thực đem lại hiệu suất tối ưu cho lỗ làm mát, vậy, việc tối ưu hóa tham số hình học lỗ cần thiết để tìm vị trí mở rộng tốt 43 BÀ I BÁ O CÔ NG BỐ Xuan-Truong Le, Duc-Anh Nguyen, Cong-Truong Dinh, and Quang-Hai Nguyen, “Effect of Two-Head Flared Hole on Film Cooling Performance over a Flat Plate”, Aerospace, Online May 2021, Vol 8(5), 128, ISSN: 2226-4310, SCIE, Q2, IF:1.63, DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace8050128 44 TÀ I LIỆU THAM KHẢO [1] S L Dixon and C A Hall (2010), “Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery,” Chapter 4, Pergamon Press Ltd., Sixth edition [2] Saeed Farokhi (2014), “Aircraft Propulsion”, Chapter 10, John Wiley & Sons, Seconde edition [3] Je-chin Han and Srinath Ekkad (2001), “Recent Development in Turbine Blade Film Cooling”, International Journal of Rotating Machinery, Vol 7, No 1, pp 2140 [4] D K Walters, J H Leylek (2000), “A detailed analysis of film cooling physics: Part I-streamwise injection with cylindrical holes”, J Turbomach 112 102-112 [5] C A Hale, M W Plesniak, S Ramadhyani (2000), “Film cooling effectiveness for shore filmcooling holes fed by a narrow plenum”, J Turbomach 122 553-557 [6] E Lutum, B V Johnson (1999), “Influence of the hole length-to-diameter ratio on film cooling with cylindrical holes”, J Turbomach 121 209-216 [7] C H N Yuen, R F Martinez-Botas (2003), “Film cooling characteristics of a single round hole at various streamwise angles in a crossflow: Part effectiveness”, Int J Heat Mass Transf 46 221-235 [8] K D Lee, K Y Kim (2009), “Optimization of a cylindrical film cooling hole using surrogate modeling”, Numer Heat Transf Part A 55 (4) 362-80 [9] C Saumweber, A Schulz, S Wittig (2003), “Free-stream turbulence effects on film cooling with shaped holes”, ASME J Turbomachinery 125 65-73 [10] M Gritsch, W Colban, H Schär and K Döbbeling (2005), “Effect of hole geometry on the thermal performance of fan-shaped film cooling holes”, J Turbomach 127 718-725 [11] K D Lee and K Y Kim (2010), “Shape optimization of a fan-shaped hole to enhance film cooling effectiveness”, Int J Heat Mass Transf 53 2996-3005 [12] Y Lu, A Dhungel, S V Ekkad, R S Bunker (2009), “Effect of trench width and depth on film cooling from cylindrical holes embedded in trenches”, ASME J Turbomach 131 011003 [13] Y Lu, A Dhungel, S V Ekkad, R S Bunker (2009), “Film cooling measurements for cratered cylindrical inclined holes”, ASME J Turbomach 131 011005 [14] J E Sargison, S M Guo, M L G Oldfield, G D Lock, A J Rawlinson (2002), “A converging slot-hole film cooling geometry - Part 1: A converging slothole film cooling geometry”, J Turbomachinery-Transactions ASME 124 (3) 453460 [15] X Z Zhang, I Hassan (2006), “Film cooling effectiveness of an advancedlouver cooling scheme for gas turbines”, J Thermophys Heat Transf 20 (4) 754763 [16] Y Lu (2007), “Effect of hole configurations on film cooling from cylindrical inclined holes for the application to gas turbine blades”, Ph D Thesis Louisiana State University 45 [17] Liu, J S., Malak, M F., Tapia, L A., Crites, D C., Ramachadran, D., Srinivasan, B., Muthiah, G and Venkaramanan, J (2010), “Enhanced film cooling effectiveness with new shaped holes,” Proc ASME Turbo Expo, GT2010-22774 [18] K D Lee, K Y Kim (2012), “Performance evaluation of a novel film cooling hole”, J heat Transf 134 101702 [19] Hay, N., Lampard, D., and Khaldi, A (1994), “The Coefficient of Discharge of 30° Inclined Film cooling Holes with Rounded Entries or Exits,” ASME 1994 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition: 94-GT-180 [20] L Guangchao, Z Huiren, F Huiming (2008), “Influence of hole shape on film-cooling characteristics with CO2 injection”, Chin J Aeronautics 21 393-401 [21] Hồng Văn Quản (2018), “Phân tích số học đặc tính làm mát lỗ trụ hội tụ kết hợp phân kỳ dòng hòa trộn”, Đồ án mơn học [22] Nguyễn Tá Hịa (2019), “Ảnh hưởng thiết kế hình dạng lỗ trụ hội tụ phân kỳ đặc tính làm mát nhiệt dịng hỗn hợp”, Đồ án tốt nghiệp [23] Lee Kim (2009), “Optimization of a Cylindrical Film Cooling Hole using Surrogate Modeling”, Numer Heat Transf Part A 55 (4) 362–380 [24] Ansys, CFX-19.1, Ansys Inc 46 ... suất hiệu làm việc động Hình 1.2 cho thấy cách sử dụng khơng khí làm mát để làm mát cánh tuabin cao áp động phản lực đại Hình 1.1 Làm mát cánh tuabin cao áp 12 Hình 1.2 Phân bố dòng làm mát cho cánh. .. với lỗ dạng hình trụ Hình 1.16 Các hình dạng lỗ nghiên cứu Nguyễn Tá Hịa Trong nghiên cứu tơi, hình dạng lỗ hội tụ đề xuất cho đầu vào lỗ làm mát với hình dạng hình trụ để tăng cường hiệu làm mát. .. mỏng Hình 1.5 Làm mát bên Hình 1.6 Làm mát kiểu đối lưu Hình 1.7 Làm mát kiểu màng phân phối Làm mát kiểu tạo màng loại làm mát sử dụng rộng rãi, cho phép hiệu suất làm mát cao so với cách làm mát