Università di FirenzeDipartimento di Energetica “Sergio Stecco”

Attività dottorato 2009

Cosimo BianchiniHTC group

Energy Engineering DepartmentVia di S.Marta 3, 50139 Firenze

cosimo.bianchini@htc.de.unifi.it

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Cosimo Bianchini – 19/01/2010

Sommario

• Obiettivi

• Stato dell’arte e strumenti utilizzati

• Sviluppi principali introdotti durante 2009

• Risultati ottenuti• Heat transfer e effectiveness film cooling shaped

• Analisi adiabatica e coniugata effusion cooling

• Heat transfer sistema di raffreddamento trailing edge

• Analisi dell’impedenza acustica piastre perforate

• Analisi scambio termico impingement cooling

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Obiettivi

• Analisi aerotermica di dettaglio di componenti di turbina a gas

• Analisi aeroacustica sistemi di raffreddamento combustore di

turbina a gas

• Sviluppo di un solutore LES per analisi di scambio termico

nelle turbomacchine

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Stato dell’arte

• Analisi aerotermiche stazionarie componenti di turbina a gas• codici commerciali (CFX,STAR-CCM)

• in-house (OpenFOAM)

• Sviluppo di solutore stazionario pressure-based per flussicomprimibili

• Sviluppo set di modelli di turbolenza RANS Low-Reynolds

• Sviluppo solutore coniugato implicito

• Sviluppo set di condizioni al contorno

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Strumenti utilizzati

• Toolbox per meccanica dei continui OpenFOAM

• Librerie C++ open-source

• Polimorfismo, ereditarietà e contenitori

• Discretizzazione ai volumi finiti basata sugli operatori(implicita e esplicita)

• Schemi ad alta risoluzione (TVD,NVD)

• Supporto di mesh poliedriche non-strutturate

• Completamente parallelo in modalità “domain decomposition”

• RANS,LES,combustion,multiphase,moving mesh,lagrangiano

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solve(fvm::ddt(rho, U) + fvm::div(phi, U) - fvm::laplacian(mu, U) == -fvc::grad(p));

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Sviluppi 2009

• Implementazione condizioni di mapped inlet con feedback• Le condizioni istantanee vengono mappate sull’inlet del dominio• Scaling per imporre i valori sul contorno• Rispetto della fisica della turbolenza • No extra computational cost

• Implementazione condizioni di inlet e outlet non e parzialmente riflettenti• Navier-Stokes Characteristic Boundary Condition approach• Local One Dimensional Inviscid relations per calcolo dei termini

invscidi• Linear Relaxation Method per evitare drift variabili imposte

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Fan-shaped laidback film-cooling• Analisi coefficiente di scambio termico e

effectiveness• Due BR investigati 1.25 - 2.5• 4 modelli di turbolenza: TL, ATL, SST,V2F• Ma gas = 0.1, Rej = 15000-30000• 1.6 million cells mesh• GT2010-22809

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HTC

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Fan-shaped laidback film-cooling

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Adiabatic effectivenessAdiabatic effectiveness

•Adiabatic effectiveness calcolata mediante conentrazione di tracciante

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Effusion cooling• Analisi coniugata e adiabatica• Fori circolari e shaped• Due BR investigati 5-7, DR 3.5• 2 modelli di turbolenza: TL, ATL• 3.5 million cells mesh

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Effusion cooling

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cylindrical

shaped

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Trailing edge cooling – pin fin• Staggered and pentagonal array di pin• Due portate al tip investigate 0-25%• Automatic wall treatment • N pin > 100 -> 3 millions cells mesh• Ma gola = 0.3, Re = 18000• GT2010-23536

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Trailing edge cooling – pin fin

Tip 0%

Tip 25%

HTC

[W/m2K]

FOAMEXP

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Trailing edge cooling – pin fin

Tip 0%

Tip 25%

HTC

[W/m2K]

FOAM

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EXP

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Impedenza acustica piastre perforate• Foro periodico no bias flow• 4 frequenze investigate

• 500 mila celle

• Smagorinsky Sgs model + VanDriest, Spallart-Allmaras DES model (prel.)

• Tesi Gonfiotti “Large Eddy Simulation of combustion aeroacoustic instabilities”

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Impingement assialsimmetrico• Ercoftac case Rej=23000, H/D = 2• Flusso termico a parete 1000

[W/(m2K)]

• One equation sgs model dinamico

• 6 millions cells mesh• Incompressible solver

• Benchmark condizioni al contorno

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Impingement assialsimmetrico

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On-going projects• Solutore NS turbolento steady-state accoppiato (CFD engineering)

• Analisi aerocustica sorgenti di rumore aerodinamico vagoni

ferroviari (Ansaldo Breda)

• Analisi aeroacustica dell’impedenza associata a piastre perforate

(KIAI EU project)

• LES/DES models for heat transfer analysis (k-ω, k-l, WALE)

• Condizioni di inlet con swirl per LES (University of Exeter)

• Sviluppo modelli SGS algebrici (Dipartimento di Matematica Applicata)

• Accoppiamento codice fluidodinamico nucleare (Università di Pisa)

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Pubblicazioni 2009

• Boust, Lalizel, Bianchini, Facchini, Cinque, Colantuoni, “Dual investigations on the improvement of effusion cooling by shaped holes", 2009, 7th World Conference on Experimental Heat transfer Fluid mechanics Thermodynamics, Krakow

• Bianchini, Facchini, Simonetti, Tarchi, Zecchi, “Numerical and experimental investigation of turning flow effects on innovative pin fin arrangements for trailing edge cooling configurations”, 2010, ASME PAPER GT2010-23536, Asme Turbo Expo, Glasgow, PAPER ACCEPTED

• Bianchini, Facchini, Mangani, Maritano, “Heat transfer performance of fan-shaped film cooling holes. Part II – Numerical analysis”, 2010, ASME PAPER GT2010-22809, Asme Turbo Expo, Glasgow, PAPER ACCEPTED

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