Thermal and fluid dynamic analysis of corrugated channels for the internal cooling of turbine blades

Il principale scopo di questa relazione è lo studio, mediante simulazioni numeriche, dello scambio termico in un canale rettangolare di aspect ratio pari a 5, dotato di nervature inclinate di 45° su uno o due lati. Le rimanenti superfici del canale sono state considerate lisce e non riscaldate. Le dimensioni del dominio computazionale sono le stesse dell’impianto sperimentale nel dipartimento del DIME, il cui utilizzo ha consentito di ricavare dati sperimentali utili per la validazione dei risultati numerici che verranno presentati. Per le simulazioni numeriche il software Ansys Fluent 19.2 è stato utilizzato. Dopo i test di grid dependency e lo studio di diversi modelli di turbolenza, il modello k-ԑ RNG con l’implementazione dell’enhanced wall treatment, ed una griglia strutturata, sono stati selezionati per lo studio. I dati estrapolati dai conti numerici sono successivamente stati post-processati tramite Matlab per il calcolo del numero di Nusselt sulle superfici di interesse. Il primo aspetto indagato è l’interposizione di una o due intersecting ribs. I risultati mostrano come, l’utilizzo di una o due di queste nervature trasversali, consenta di incrementare lo scambio termico grazie ad una parziale ostruzione del moto del flusso rispetto alla larghezza del canale (tuttavia il coefficiente di attrito aumenta con il numero di nervature trasversali utilizzate). Successivamente l’effetto delle condizioni d’ingresso è stato analizzato: i risultati mostrano che il coefficiente di scambio termico è maggiore nella zona riscaldata di interesse se delle nervature sono collocate anche a monte di tale zona. Questo perché la loro interposizione promuove lo sviluppo di un campo di moto del flusso che maggiormente si avvicina alla condizione di completo sviluppo. L’effetto delle modalità di riscaldamento della sezione di interesse è stato poi indagato (dato anche la scarsa documentazione presente in letteratura su questo aspetto). Tre modalità di riscaldamento sono state considerate: 1) solo sull’inter-rib 2) sull’intera superficie inferiore 3) sull’intera superficie inferiore e sui lati delle nervature. Dalle analisi di scambio termico sulla sola superficie inter-ribs i risultati migliori sono ottenuti per la prima condizione. Successivamente il numero di Nusselt è stato valutato anche sull’intera superficie delle nervature, per la terza condizione di riscaldamento, e mediato pesato sull’area con l’intera superficie ripetitiva dei moduli (questa condizione è considerata la più rappresentativa di un caso reale). Si è notato che la seconda condizione di riscaldamento, per quanto concerne il Nu relativo all’inter-ribs, è quella che presenta i valori più simili alla media pesata appena descritta (ciò consente di avere un legame tra condizione reale ed esperimenti). Tutti i risultati descritti, ottenuti con un solo lato dotato di nervature, sono stati ottenuti anche con due lati dotati di nervature. La differenza principale consiste nel fatto che, con due lati dotati di nervature, il flusso tende a svilupparsi più velocemente e, rispetto al caso con un solo lato dotato di nervature, si inizia a manifestare una saturazione dell’incremento del numero di Nusselt. Lo studio è stato quindi generalizzato, analizzando gli effetti della variazione della distanza tra le nervature rispetto all’altezza delle stesse (p/e) e la variazione dell’aspect ratio (AR). La prima analisi parametrica ha portato alla conclusione che il trend del numero di Nusselt rispetto ai moduli è similare per i vari p/e analizzati (con l’eccezione dei p/e più piccoli in quanto, il poco spazio tra due nervature, costituisce un ostacolo per lo sviluppo dei flussi secondari). La seconda analisi parametrica mostra invece che la distribuzione di Nu è fortemente influenzata dall’AR. Valori di AR bassi portano ad una distribuzione di Nu rispetto ai moduli quasi costante. Invece valori di AR alti vedono l’instaurarsi di una distribuzione di Nu crescente rispetto ai moduli.