Use of an Immersed Mesh for High Resolution Modeling of Film Cooling Flows
Use of an Immersed Mesh for High Resolution Modeling of Film Cooling Flows
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使用浸入式网格对气膜冷却流进行高分辨率建模
DOI：
10.1115/1.4006398
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发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Lad B
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Lad B
高压涡轮机的发展需要精确预测气膜孔内和周围的流动。然而，气膜冷却流固有的长度尺度与主流流的长度尺度产生很大的差异;因此，它们不能通过为空气动力学分析生成的网格来解决。此外，网格化冷却孔的过程不仅耗时而且繁琐;因此，在设计环境中，使用孔的几何形状和分布对给定叶片几何形状的膜冷却效率进行参数研究非常困难。本文提出了一种浸入式网格块（IMB）方法，该方法允许冷却孔的精细网格浸入到喷嘴导向叶片（NGV）的粗网格中，并在保持质量守恒的同时进行求解。通过采用双向耦合，冷却孔内和周围的流动物理能够与主流相互作用，因此这两种类型的流的长度尺度得到适当的解决。然后，通用冷却孔设计可以多次映射到给定的翼型几何形状，以实现冷却孔的适当分布。结果表明，对于一个现实的跨音速叶片，由多达200个冷却孔组成的配置可以有效地和准确地计算，同时保留原来的气动网格，但与薄膜冷却的分辨率大大提高。
The development of a high pressure turbine requires the accurate prediction of flow within and around film cooling holes. However, the length scales inherent to film cooling flows produce a large disparity against those of the mainstream flow; hence they cannot be resolved by a mesh generated for an aerodynamics analysis. Furthermore, the process of meshing cooling holes is not only time consuming but cumbersome; thus making the parametric study of film cooling effectiveness for a given blade geometry, using hole geometry and distribution, very difficult in a design environment. In this paper an immersed mesh block (IMB) approach is proposed which allows the refined mesh of a cooling hole to be immersed into the coarser mesh of a nozzle guide vane (NGV) and solved simultaneously while maintaining mass conservation. By employing two-way coupling, the flow physics in and around cooling holes is able to interact with the mainstream; hence the length scales of both types of flow are appropriately resolved. A generic cooling hole design can then be mapped to a given aerofoil geometry multiple times to achieve an appropriate distribution of cooling holes. The results show that for a realistic transonic blade, a configuration consisting of up to 200 cooling holes can be efficiently and accurately calculated—while retaining the original aerodynamic mesh but with a much enhanced resolution for the film cooling.
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