طراحی بهینه سیستم خنک‌کاری برخوردی با استفاده از الگوریتم تکامل تفاضلی در لاینر نازل دوبعدی یک موتور توربوفن

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

2 استادیار، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

3 دانشجوی دکتری، مهندسی هوافضا-جلوبرندگی، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

10.22044/jsfm.2024.13436.3770

چکیده

دمای ورودی به نازل موتور توربینی یکی از پارامتر‌های تأثیرگذار در افزایش نیروی رانش تولید شده است در نتیجه استفاده از روش‌هایی برای افزایش دمای ورودی نازل ضروری است. خنک‌کاری برخوردی یکی از این روش‌ها بوده که با انتقال هوای خنک‌تر و سپس عبور از جت‌هایی به دیواره داغ نازل برخورد می‌کند و موجب جذب گرمای دیواره نازل می‌شود. در مقاله حاضر بهینه‌سازی سیستم خنک‌کاری برخوردی به صورت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه مورد مطالعه دیوارهای انتهایی نازل می‌باشد که به صورت صفحه تخت است. این صفحه شامل سوراخ‌های خنک‌کاری با سطح مقطع دایره‌ای است. طراحی بهینه‌ برای یافتن اندازه قطر سوراخ‌ها و فواصل بین آنها می‌باشد. با ایجاد ارتباط بین نرم‌افزار و کد توسعه داده شده با زبان برنامه نویسی C، هندسه‌های مختلف برای بهینه‌سازی سوراخ‌ها با تعیین قیدهای مناسب به صورت خودکار تولید شده و طراحی بهینه می‌گردد. بهینه‌سازی از نوع چندهدفه است و الگوریتم بهینه‌سازی تکامل تفاضلی می‌باشد. هدف از بهینه‌سازی رسیدن به دمایی نسبتا یکنواخت و همچنین کمتر از دمای بیشینه مجاز در دیوار نازل است. نتایج بهینه‌سازی چندهدفه بصورت نمودار پارتو ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Buzzard, W.C., et al., (2017) Influences of target surface small-scale rectangle roughness on impingement jet array heat transfer. Int. J. Heat Mass Tra,. 110: p. 805-816.
[2]  El-Gabry, L.A. and D.A. Kaminski, (2005) Experimental investigation of local heat transfer distribution on smooth and roughened surfaces under an array of angled impinging jets.
[3]  Xing, Y., S. Spring, and B. Weigand, (2011) Experimental and numerical investigation of impingement heat transfer on a flat and micro-rib roughened plate with different crossflow schemes. Int. J. Therm. Sci., 50(7): p. 1293-1307.
[4]  Florschuetz, L.W., R. Berry, and D. Metzger, (1980) Periodic streamwise variations of heat transfer coefficients for inline and staggered arrays of circular jets with crossflow of spent air.
[5]  Florschuetz, L., C. Truman, and D. Metzger. Streamwise (1981) flow and heat transfer distributions for jet array impingement with crossflow. in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. American Society of Mechanical Engineers.
[6]  Han, B. and R.J. Goldstein, (2001) Jet‐impingement heat transfer in gas turbine systems. Annals of the New York Academy of Sciences, 934(1): p. 147-161.
[7]  Weigand, B. and S. Spring. (2009) Multiple jet impingement− a review. in TURBINE-09. Proceedings of international symposium on heat transfer in gas turbine systems. Begel House Inc.
[8]  Spring, S., Y. Xing, and B. Weigand, (2012) An experimental and numerical study of heat transfer from arrays of impinging jets with surface ribs.
[9]  Brakmann, R., et al., (2016) Experimental and numerical heat transfer investigation of an impinging jet array on a target plate roughened by cubic micro pin fins. J. Turbomachinery, 138(11): p. 111010.
[10] Andrews, G.E., R. Abdul Hussain, and M. Mkpadi, (2003) Enhanced impingement heat transfer: Comparison of co-flow and cross-flow with rib turbulators. Proceedings of IGTC2003.
[11] Son, C., P. Ireland, and D. Gillespie.(2005) The effect of roughness element fillet radii on the heat transfer enhancement in an impingement cooling system. in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air.
[12] Terzis, A., (2016) On the correspondence between flow structures and convective heat transfer augmentation for multiple jet impingement. Experiments in Fluids: p. 1-14.
[13] Terzis, A., et al., (2016) Aerothermal investigation of a single row divergent narrow impingement channel by particle image velocimetry and liquid crystal thermography. J. Turbomachinery, 138(5): p. 051003.
[14] Terzis, A., et al., (2014) Detailed heat transfer distributions of narrow impingement channels for cast-in turbine airfoils. J. Turbomachinery, 136(9): p. 091011.
 
[15] Mazaheri, K., M. Zeinalpour, and H. Bokaei, (2016)Turbine blade cooling passages optimization using reduced conjugate heat transfer methodology. Applied Thermal Engineering, 103: p. 1228-1236.
[16] Mazaheri, K., H.R. Bokaei, and M. Zeinalpour, (2015) Multi-objective optimization of internal cooling passages for a turbine blade. Modares Mechanical Engineering,. 15(8): p. 351-359.
[17] Flynt, G.A., K. Sreenivas, and R.S. Webster, (2013) Computation of heat transfer in turbine rotor blade cooling channels with angled rib turbulators, THE UNIVERSITY OF TENNESSEE AT CHATTANOOGA.
[18] Ruiz, J.D., (2008) Thermal design optimization of multi-passage internally cooled turbine blades. ProQuest.
[19] Munson, B., D. Young, and T. Okiishi, (1998) Fundamentals of fluid mechanics.
[20] Xing, Y., S. Spring, and B. Weigand, (2010) Experimental and numerical investigation of heat transfer characteristics of inline and staggered arrays of impinging jets.