Để tránh dòng nóng tiếp xúc với bề mặt lá cánh tua bin, mở rộng sang hai bên lỗ đầu ra là một biện pháp mang lại hiệu quả rất cao. Đây là phương pháp mở rộng mang lại hiệu suất làm mát cao nhất trong các kiểu lỗ mở rộng. Mở rộng theo cách này, dòng khí làm mát sẽ lan truyền đều hơn và rộng hơn trên bề mặt cần làm mát, làm cho dòng làm mát bao phủ một diện tích lớn bề mặt. Từ đó, nó làm tránh sự tác động của dòng nóng lên bề mặt và làm tăng đáng kể hiệu suất làm mát. Mở rộng theo cách này cũng sẽ làm giảm tốc độ dòng lạnh đến dòng nóng và vận tốc cục bộ của dòng lạnh ở lối ra miệng trước của lỗ. Cách mở rộng này cũng làm giảm xâm nhập của dòng dòng khí làm mát vào dòng chính, tránh gây ra sự tách rời dòng làm mát khỏi bề mặt lá cánh và làm tăng hiệu suất làm mát màng. Ngoài ra, việc mở rộng lỗ thoát cũng làm giảm diện tích bề mặt của các cánh tuabin, tăng diện tích tiếp xúc với dòng lạnh. Do đó, hiệu suất cũng được cải thiện đáng kể.
Hình 3.17. Mở rộng lỗ đầu ra sang hai bên
Để chứng minh tính hiệu quả của hình dạng lỗ phân kì này (TH6), sự phân bố hiệu suất làm mát màng trung bình theo các đường ngang của lỗ mở rộng sang hai bên được so sánh với lỗ hình trụ như trong đồ thị Hình 3.14 (a). Các hình dạng lỗ phân
39 kì này chỉ ra một vùng lớn của hiệu suất làm mát và sự lan tỏa vượt trội của dòng làm mát so với lỗ hình trụ. Đặc biệt, như được chỉ ra trong Hình 3.14 (a), có một sự tăng đáng kể trong hiệu suất làm mát khoảng từ 0.22 đến 0.34 đạt được xung quanh vị trí x/D = 2. Ở trong vùng này (x/D = 2), hiệu suất làm mát tăng ít nhất 50% đối với vị trí mở rộng 1.5D. Ta có thể thấy rằng hiệu suất làm mát giảm nhanh khi x/D tăng, đặc biệt là trong vùng x/D > 10.
Hình 3.14 (b) thể hiện hiệu suất trung bình mặt của lỗ mở rộng so với lỗ hình trụ. Ngay tại vị trí mở rộng 1.5D, ta đã có hiệu suất làm mát trung bình mặt đã tăng đến 27.197% và hiệu suất làm mát cao nhất là 60.787% tại vị trí mở rộng 3D so với lỗ hình trụ. Hiệu suất làm mát tăng đều tại mỗi vị trí. Tuy nhiên, tại vị trí mở rộng 3D, lỗ đã quá 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 cũng có thể thấy, hiệu suất tại vị trí mở 3D tăng không đáng kể so với trường hợp 2.5D. Vì khi mở rộng quá, vận tốc của dòng lạnh bị giảm làm cho dòng lạnh dễ bị dòng nóng hoà trộn và cuốn trôi theo (vận tốc 35.4 m/s so với 33.7 m/s tương ứng với trường hợp mở rộng 2.5D và 3D), do đó, không làm tăng hiệu suất làm mát lên nhiều. Ngoài ra, như đã được giải thích trong trường hợp mở rộng sang hai bên đầu vào lỗ (TH3), vì trên lá cánh tuabin có rất nhiều lỗ làm mát nên khi mở rộng đến vị trí 3D, cấu trúc lá cánh sẽ bị thay đổi nhiều, giảm độ cứng vững. Vì vậy, trong trường hợp này, mở rộng tại vị trí 2.5D là vị trí tối ưu nhất cho lá cánh tuabin.
40
(b)
Hình 3.18. Hiệu suất làm mát trung bình trên bề mặt kênh chính: (a) Hiệu suất trung
bình cạnh bên ( 𝜂𝑙 ), (b) Hiệu suất trung bình mặt ( 𝜂𝑠 )
Hình 3.15 chỉ ra các contour phân bố hiệu suất làm mát trên mặt phẳng x - y tại vị trí z/D = 0. Hiệu suất làm mát tăng mạnh, chủ yếu là tại khu vực sau miệng của lỗ. Lỗ càng được mở rộng, hiệu suất làm mát càng giảm nhanh với sự tăng của x/D, tức là, hiệu suất làm mát tại miệng lỗ tăng mạnh và nó sẽ giảm nhanh khi đi xa khỏi lỗ. Bởi vì, ở lỗ mở quá rộng, dòng chảy xả ra sẽ mỏng hơn và nhanh chóng bị dòng nóng hòa trộn. Từ đó, dòng ở phía xa không còn mát nên nhiệt độ vẫn cao khi x/D lớn. Từ kết quả này, khoảng cách giữa các lỗ liên tiếp cần được tính toán để có được hiệu suất làm mát cao nhất trên lá cánh tua bin.
(a)
41
(c)
(d)
(e)
Hình 3.19. Phân bố hiệu suất làm mát trên mặt phẳng x-y tại 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 mô tả dòng chảy của dòng lạnh qua lỗ và chảy trên bề mặt cần làm mát của trường hợp lỗ hình trụ và lỗ mở rộng 3D. Đối với lỗ hình trụ, dòng lạnh luôn chảy trong khuôn khổ lỗ hình trụ (chỉ chảy xung quanh đường tâm lỗ). Điều này làm cho hiệu suất làm mát không tăng cao vì dòng lạnh chỉ bao phủ một vùng diện tích bề mặt nhất định xung quanh tâm lỗ. Tuy nhiên, ở trường hợp lỗ mở rộng sang hai bên của đầu ra, dòng đã được phân bổ đều sang hai bên, tránh sự tiếp xúc của dòng nóng đối với bề mặt. Từ đó, giải thích cho việc tại sao hiệu suất làm mát lại tăng ở các trường hợp lỗ mở rộng sang hai bên này.
42 (a)
(b)
43
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN 4.1. Kết luận
Trong nghiên cứu này, mô hình lỗ mở rộng sang hai bên hội tụ và phân kì được đề xuất để tìm sự ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất làm mát màng sử dụng phân tích RANS và mô hình rối k-𝜔 SST. Năm mô hình lưới đã được khảo sát để tìm ra lưới tối ưu nhất. Sự hội tụ của lưới đã được kiểm tra và nó đã chỉ ra rằng số lượng lưới khoảng 1.7 triệu là phù hợp cho tính toán và cho ra kết quả mô phỏng đáng tin cậy. Kết quả mô phỏng đã được so sánh với dữ liệu thực nghiệm của Saumwebere và các cộng sự [9] và kết quả mô phỏng số của Lee và Kim [23] ở cùng điều kiện biên, đã cho thấy kết quả là khá trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm và chính xác hơn so với kết quả mô phỏng số của Lee và Kim [23].
Sau khi lưới đã được kiểm định là xác thực với kết quả thực nghiệm, hai loại hình dạng lỗ dẫn dòng làm mát được đưa vào khảo sát và đã cho kết quả tốt. Ở cả hai hình dạng lỗ, hiệu suất đều tăng so với trường hợp lỗ trụ. Trong đó, hiệu suất tăng nhiều nhất là 60.787% tại vị trí mở rộng 3D đối với trường hợp lỗ phân kì được mở rộng sang hai bên. Đối với trường hợp mở rộng sang hai bên của lỗ hội tụ, hiệu suất tăng cao nhất là 4.456% tại vị trí mở rộng 3D. Trong hai trường hợp, hiệu suất tăng chủ yếu do sự giảm hiện tượng phun tia và giảm xoáy trong lỗ làm cho dòng ra khỏi lỗ có vận tốc đều hơn, giảm sự tách dòng trên bề mặt kênh chính và tăng diện tích bao phủ của dòng làm mát. Từ đó, hiệu suất tăng lên đáng kể.
4.2. Hướng phát triển trong tương lai
Để nghiên cứu được trọn vẹn hơn nữa, trong nghiên cứu tiếp theo, tôi sẽ tiếp tục khảo sát các trường hợp có sự kết hợp giữa các loại lỗ mở rộng để tìm ra trường hợp kết hợp tốt nhất. Ngoài ra, việc khảo sát tại các vị trí cố định như trên chưa thực sự đem lại hiệu suất tối ưu cho lỗ làm mát, vì vậy, việc tối ưu hóa tham số hình học của lỗ là cần thiết để tìm ra vị trí mở rộng tốt nhất.
44
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 4 May 2021, Vol. 8(5), 128, ISSN: 2226-4310, SCIE, Q2, IF:1.63, DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace8050128.
45
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. 21- 40.
[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 1 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 slot- hole film cooling geometry”, J. Turbomachinery-Transactions ASME 124 (3) 453- 460.
[15] X. Z. Zhang, I. Hassan (2006), “Film cooling effectiveness of an advanced- louver cooling scheme for gas turbines”, J. Thermophys Heat Transf. 20 (4) 754- 763.
[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.
46 [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] Hoàng Văn Quản (2018), “Phân tích số học đặc tính làm mát của lỗ trụ hội tụ kết hợp phân kỳ trong dòng hòa trộn”, Đồ án môn học.
[22] Nguyễn Tá Hòa (2019), “Ảnh hưởng của thiết kế hình dạng lỗ trụ hội tụ - phân kỳ trên đặc tính làm mát và nhiệt trong dòng hỗn hợp”, Đồ án tốt nghiệp. [23] Lee và Kim (2009), “Optimization of a Cylindrical Film Cooling Hole using Surrogate Modeling”, Numer Heat Transf. Part A 55 (4) 362–380.