Aerothermal Analysis of Film Cooling Flows

Flow field and thermal film cooling parameters are analysed and compared for different blowing ratios for a 10°-10°-10° laidback fan-shaped film cooling hole geometry with an inclination angle of 35° and a wide spacing of P/D = 8 to ensure the absence of jet interaction. The influence of the coolant ejection on the aerodynamics of the hot gas is investigated and stationary as well as non-stationary vortex structures are identified. The present study uses an existing test rig at the Institute of Thermal Turbomachinery (ITS) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) designed for generic film cooling studies with high spatial resolution applying stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) as well as infrared thermography (IRT). Operating conditions of hot gas and cooling air inlet and exit are uniquely compliant with scaled engine-realistic conditions, including temperature ratio, turbulence intensity and coolant flow configuration

Experimental Study of Impingement Effusion Cooled Double-Wall Combustor Liners: Aerodynamic Analysis with Stereo-PIV

A new experimental study is presented for a combustor with a double-wall cooling design. The inner wall at the hot gas side features effusion cooling with 7-7-7 laidback fan-shaped holes, and the outer wall at the cold side features an impingement hole pattern with circular holes. Data are acquired to asses the thermal and aerodynamic behavior of the setup, using a new, scaled up, engine similar test rig. Similarity includes Reynolds, Nusselt and Biot numbers for hot gas and coolant flow. Different geometrical setups are studied by varying the cavity height between the two walls and the relative alignment of the two hole patterns at two different impingement Reynolds numbers. This article focuses on the aerodynamic performance of the setup. Instationary flow data are acquired, using a high speed stereo PIV setup. For each geometrical configuration, approximately 20 planes are recorded with a data rate of 1000 Hz by traversing the flow region of interest in the cavity between the two specimen. This fine resolution allows the reconstruction of 3D flow fields for the mean data values and an extensive analysis of transient phenomena at each plane. Time averaged data and jet-center plane transient data are presented in detail. The results show a complex flow field with a hexagonal vortex pattern in the cavity, which is mainly influenced by the cavity height and the relative alignment of the two walls. The jet Reynolds number shows small influence when analyzing normalized data. Small cavity heights show a less developed flow field with less stable vortex systems. The alignment shows a similar influence on vortex system stability, with the aligned case performing better. Additionally, statistical analysis of the jet flow and frequency domain analysis of the jet and the effusion flow are presented, showing the damping capability of the cavity, especially at increased cavity heights, and a residual low frequency pulsation of the effusion cooling inflow

On Coherent Structures and Heat Transfer in Inclined Jets in Turbulent Cross-Flow

Stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke sind nach wie vor wichtige Bestandteile in der Energiewandlung beziehungsweise dem Transportwesen. Die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades durch eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erfordert Verbesserungen im Kühlsystem der Hochtemperaturkomponenten. Die Filmkühlung ist eine wesentliche Methode in diesem Kühlsystem. Die Filmkühlbohrungen verbinden die inneren Kühlkanäle mit der Schaufeloberfläche. Das resultierende Strömungsfeld stellt einen Spezialfall des generischen Strahls in einer Querströmung dar. Um die Filmkühlung gezielt weiter zu verbessern und die wesentlichen Unterschiede zum generischen Strömungsfall zu verstehen, ist eine detaillierte experimentelle Untersuchung des Strömungsfeldes im Mischungsbereich zwischen Heißgas und Kühlluftstrahl erforderlich. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die kohärenten Strömungsstrukturen für eine sogenannte laidback fan-shaped Bohrung bei maschinenähnlichen Betriebsbedingungen experimentell quantitativ detailliert charakterisiert. Dabei werden maschinenähnliche Temperaturverhältnisse, Ausblaseraten, Heißgasturbulenzgrade und eine parallele und orthogonale kühlluftseitige Anströmung berücksichtigt. Detaillierte Messungen mittels stereoskopischer Particle Image Velocimetry werden durchgeführt, um die bereits verfügbaren thermischen Filmkühlgrößen durch hochaufgelöste quasi-volumetrische Geschwindigkeitsdaten am Filmkühlbohrungsaustritt zu ergänzen. Die Messungen werden für drei Ausblaseraten und zwei Kühlluftkanalreynoldszahlen pro Anströmrichtung durchgeführt, woraus sich 12 verschiedene Fälle ergeben. Für jeden Fall wird das Nah- und Fernfeld des Filmkühlstrahls analysiert, ein detailliertes Verständnis der kohärenten Strömungsstrukturen abgeleitet und der Ursprung dieser Strömungsstrukturen diskutiert. Anhand der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass quasi-volumetrische Strömungsfelddaten erforderlich sind, um die resultierenden kohärenten Strukturen und ihre Entstehung korrekt zu charakterisieren, insbesondere bei orthogonaler Kühlluftanströmung. Nicht alle kohärenten Strukturen, die aufgrund der Ergebnisse aus generischen Untersuchungen erwartet werden, finden sich tatsächlich bei der Filmkühlausblasung unter maschinenähnlichen Randbedingungen wieder. Darüber hinaus wird der lokale Zusammenhang zwischen den thermischen Filmkühlgrößen und den kohärenten Strömungsstrukturen analysiert. Teils unerwartete Zusammenhänge zwischen der lokalen Verteilung des Verhältnisses der Wärmeübergangskoeffizienten mit und ohne Filmkühlung und den dominanten kohärenten Strömungsstrukturen werden beobachtet. In Verbindung mit den vorangegangenen Forschungsarbeiten legt die vorliegende Arbeit nahe, dass die bedeutendste Steigerung des Wärmeübergangs mit einer instationären Komponente des Nierenwirbelpaares zusammenhängt. Die allgemein diskutierten Gründe für die Erhöhung des Wärmeübergangs spielen eine weniger bedeutende Rolle. Basierend auf diesen Ergebnissen wird der quasi-stationäre Modellierungsansatz für die Änderungen im Wärmeübergang durch Filmkühlung in Frage gestellt. Des Weiteren wird der Einfluss der kohärenten Strukturen auf die lokale Wärmestromminderung und dessen Relevanz für die Auslegung des Kühlsystems diskutiert. Die vorliegende Arbeit leistet neben dem anwendungsorientierten Forschungsfeld der Filmkühlung auch einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der treibenden Faktoren des Wärmeübergangs stromab der Strahlausblasung