Second year PhD activities 2009
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Università di FirenzeDipartimento di Energetica “Sergio Stecco”
Attività dottorato 2009
Cosimo BianchiniHTC group
Energy Engineering DepartmentVia di S.Marta 3, 50139 Firenze
Università di FirenzeDipartimento di Energetica “Sergio Stecco”
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
Fan-shaped laidback film-cooling
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Adiabatic effectivenessAdiabatic effectiveness
•Adiabatic effectiveness calcolata mediante conentrazione di tracciante
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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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Cosimo Bianchini – 19/01/2010
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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