Аналіз сучасних чисельних підходів до моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні: тенденції, похибки та кореляційні залежності

image_print
DOI
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 4, 2025 (грудень)
Сторінки 11–25

 

Автор

О. В. Шевчук, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» (61002, Україна, м. Харків, вул. Кирпичова, 2), АТ «Івченко-Прогрес» (69068, Україна, м. Запоріжжя, вул. Іванова, 2), e-mail: Oleh.Shevchuk@ieee.khpi.edu.ua, ORCID: 0000-0003-1837-6287

 

Анотація

У статті проведено аналіз сучасних чисельних методів моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні з урахуванням тенденцій розвитку CFD-технологій у 2019–2025 рр. Розглянуто понад 25 публікацій, присвячених тривимірним (3D CFD) розрахункам ефективності плівкового охолодження для різних типів отворів — циліндричних, фасонних, нестаціонарних та комбінованих. Наведено порівняння застосовуваних моделей турбулентності, параметрів сітки та методів валідації з експериментальними даними. Показано, що навіть незначна похибка у визначенні ефективності охолодження (± 0,02) може спричинити відхилення понад 20 °С у прогнозі температури плівки при реальних умовах двигуна. Встановлено, що зворотне виконання отворів плівкового охолодження забезпечує суттєве підвищення ефективності при великих параметрах вдуву m, тоді як пряме виконання є переважним для малих m. Для фасонних отворів вплив складного кута вдуву β не є незначним і повинен враховуватися в інженерних розрахунках. Виявлено необхідність урахування відношення питомих теплоємностей газу та охолоджувача при масштабуванні результатів з лабораторних до двигунних умов. Здійснено порівняльний аналіз відомих 1D-кореляцій: показано, що формули Baldauf переважно завищують ефективність охолодження циліндричних отворів, а залежності Colban — занижують для фасонних. Це вказує на потребу розробки оновлених узагальнених залежностей, що враховують сучасні CFD-дані та параметри теплоємності. Наукова новизна роботи полягає у систематизації сучасних CFD-досліджень плівкового охолодження, встановленні впливу напрямку отворів і параметра m на ефективність охолодження, а також у пропозиції врахування теплофізичних властивостей середовищ при масштабуванні результатів.

 

Ключові слова: плівкове охолодження, CFD-моделювання, параметр вдуву, ефективність охолодження, газотурбінний двигун, газова турбіна, камера згоряння.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Петельчиц В. Ю., Халатов А. A., Письменный Д. Н., Дашевский Ю. Я. Адаптация SST модели турбулентности для моделирования пленочного охлаждения плоской пластины. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Т. 3. № 12 (63). 2013. С. 25–29. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2013.14874.
  2. Da Soghe R., Bianchini C., D’Errico J.. Numerical characterization of flow and heat transfer in preswirl systems. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. Vol. 140. Iss. 7. Article 071901. 12 p. https://doi.org/10.1115/1.4038618.
  3. Bogard, D. G. & Thole, K. A. (2006). Gas turbine film cooling. Journal of Propulsion and Power, vol. 22, no. 2, pp. 249–270. https://doi.org/10.2514/1.18034.
  4. Шевчук О., Тарасов О. Оптимізація системи охолодження робочої лопатки ТВТ за допомогою 1D-2D підходів. «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування»: тези доповідей XX міжнародної науково-технічної конференції (26–27 грудня 2024 р.). Харків: НТУ «ХПІ», 2024. С. 23–24.
  5. Naidu A. D., Povey T. Impact of temperature ratio on overall cooling performance: Low-order-model-based analysis of experiment design. Journal of Turbomachinery. 2023. Vol. 149. Iss. 5. Article 91006. 18 p. https://doi.org/10.1115/1.4062279.
  6. Wiese C. J., Rutledge J. L., Polanka M. D. Experimental evaluation of thermal and mass transfer techniques to measure adiabatic effectiveness with various coolant to freestream property ratios. Journal of Turbomachinery. 2017. Vol. 140. Iss. 2. Article 021001. 9 p. https://doi.org/10.1115/1.4038177.
  7. Di Lella J. P., Wiese C. J., Rutledge J. L. The relative effects of internal Reynolds number and advective capacity ratio on the coolant warming factor. ASME turbo expo 2025: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 16–20, 2025, Memphis, Tennessee, USA). American Society of Mechanical Engineers, 2025. Vol. 5. Paper No. GT2025-152999, V005T12A016. 10 p. https://doi.org/10.1115/gt2025-152999.
  8. Rutledge J. L., Polanka M. D. Computational fluid dynamics evaluations of unconventional film cooling scaling parameters on a simulated turbine blade leading edge. Journal of Turbomachinery. 2014. Vol. 136. Iss. 10. Paper 101006. 9 p. https://doi.org/10.1115/1.4028001.
  9. Zhang R., Zhou L., Xing J., Luo C., Du X. Numerical evaluation of film cooling performance of transverse trenched holes with shaped lips. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 125. Article 105326. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105326.
  10. Bakhshinejad Bahambari A., Kayhani M. H., Norouzi M. On the effect of geometry of w-wave trenches on film cooling performance of gas turbine blades. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2021. Vol. 235. Iss. 7. P. 1595–1618. https://doi.org/10.1177/09576509211008277.
  11. Fischer L., James D., Jeyaseelan S., Pfitzner M. Optimizing the trench shaped film cooling design. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 214. Article 124399. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124399.
  12. Khalatov A., Shi-Ju E., Wang D., Borisov I. Film cooling evaluation of a single array of triangular craters. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 159. Article 120055. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120055.
  13. Доник Т., Ступак О., Потапов С., Ланьков Б. Плівкове охолодження на пласкій поверхні за одним рядом трикутних заглиблень з виїмкою при зовнішній турбулентності. Вісник НТУ «ХПІ»: Серія «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». 2023. № 3. С. 34–40. https://doi.org/10.20998/2078-774x.2023.03.05.
  14. Zheng D., Wang X., Zhang F., Yuan Q. Numerical investigation on the dual effect of upstream steps and transverse trenches on film cooling performance. Journal of Aerospace Engineering. 2019. Vol. 32. Iss. 4. Article 04019028. https://doi.org/10.1061/(asce)as.1943-5525.0001007.
  15. Hussain S., Yan X. Implementation of hole-pair in ramp to improve film cooling effectiveness on a plain surface. ASME turbo expo 2020: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (September 21–25, 2020). American Society of Mechanical Engineers, 2020. Vol. 7B. Paper No. GT2020-14838, V07BT12A035. 12 p. https://doi.org/10.1115/gt2020-14838.
  16. Lee, C.- Sh., Bryden, K. M., & Shih, T. I.-P. (2020). Downstream vortex generators to enhance film-cooling effectiveness. ASME turbo expo 2020: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (September 21–25, 2020). American Society of Mechanical Engineers, 2020. Vol. 7B. Paper No. GT2020-14317, V07BT12A009. 10 p. https://doi.org/10.1115/gt2020-14317.
  17. Данилов М., Доник Т. Вплив блокування отворів видуву охолоджувача на ефективність плівкового охолодження. Вісник НТУ «ХПІ»: Серія «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». 2023. № 4. С. 45–50. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2023.04.06.
  18. Li B., Liu C., Ye L., Zhu H., Zhang F. (2020). Experimental and numerical study on the effects of the relative position of film hole and orientation ribs on the film cooling with ribbed cross-flow coolant channel. ASME turbo expo 2020: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (September 21–25, 2020). American Society of Mechanical Engineers, 2020. Vol. 7B. Paper No. GT2020-14389, V07BT12A011, 14 p. https://doi.org/10.1115/gt2020-14389.
  19. Zhu H., Xie G., Zhu R., Sunden B. Effects of internal coolant crossflow on film-cooling performance of double-jet and cylindrical holes. ASME turbo expo 2022: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 13–17, 2022, Rotterdam, Netherlands). American Society of Mechanical Engineers, 2022. Vol. 6A. Paper No. GT2022-82514, V06AT12A028. 11 p. https://doi.org/10.1115/gt2022-82514.
  20. Liu R., Li H., You R., Tao Z. Multi-parameters sensitivity analysis of overall cooling effectiveness on turbine blade and numerical investigation of internal cooling structures on heat transfer. ASME turbo expo 2022: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 13–17, 2022, Rotterdam, Netherlands). 2022. Vol. 6A. Paper No. GT2022-82372, V06AT12A026. 10 p. https://doi.org/10.1115/gt2022-82372.
  21. Халатов А. А., Борисов І. І., Кулішов С. Б. Розвиток систем плівкового охолодження лопаток газових турбін. Теплофізика та теплоенергетика. 2022. Т. 44. № 2. С. 70–83. https://doi.org/10.31472/ttpe.2.2022.9.
  22. Zamiri A., You S. J., Chung J. T. Numerical evaluation of surface roughness effects on film-cooling performance in a laidback fan-shaped hole. ASME turbo expo 2020: Turbomachinery technical conference and exposition: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (September 21–25, 2020). American Society of Mechanical Engineers, 2020. Vol. 7B. Paper No. GT2020-14525, V07BT12A019. 9 p. https://doi.org/10.1115/gt2020-14525.
  23. Yang F., Taslim M. E. Experimental and numerical studies of the film cooling effectiveness downstream of a curved diffusion film cooling hole. International Journal of Rotating Machinery. 2022. Vol. 2022. Iss. 1. P. 1–14. https://doi.org/10.1155/2022/9913692.
  24. Barigozzi G., Zamiri A., Brumana G., Franchina N., Taek Chung J. On the impact of Reynolds number on the performance of a trenched shaped hole. Proceedings of the 16th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics (ETC16) (March 24–28, 2025, Hannover, Germany). 2025. Paper ID ETC2025-107. 10 p. https://doi.org/10.29008/ETC2025-107.
  25. Barigozzi G., Zamiri A., Brumana G., Carnevale M., Chung J. T. On the impact of upstream bump geometry on the aerothermal performance of a 7-7-7 shaped hole. ASME turbo expo 2025: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 16–20, 2025, Memphis, Tennessee, USA). American Society of Mechanical Engineers, 2025. Vol. 5. Paper No. GT2025-152365, V005T12A008. 14 p. https://doi.org/10.1115/gt2025-152365.
  26. Avcun, S., Erdem, E., Sal, S., & Yasa, T. (2025). The effect of crossflow velocity on the film cooling effectiveness of fan shaped holes. ASME turbo expo 2025: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 16–20, 2025, Memphis, Tennessee, USA). American Society of Mechanical Engineers, 2025. Vol. 5. Paper No. GT2025-154073, V005T12A029. 12 p. https://doi.org/10.1115/gt2025-154073.
  27. Li Y., Xu H., Wang J., Song W., Wang M., Liu T., Wang X. Application of scale adaptive simulation model to studying cooling characteristics of a high pressure turbine blade cutback trailing edge with different cooling configurations. ASME turbo expo 2020: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (September 21–25, 2020). American Society of Mechanical Engineers, 2020. Vol. 7B. Paper no. GT2020-14234, V07BT12A006. 13 p. https://doi.org/10.1115/gt2020-14234.
  28. Furgeson M. T., Flachs E. M., Bogard D. G. Adjoint optimization of gas turbine film cooling geometry with elevated mainstream Mach number. ASME turbo expo 2025: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 16–20, 2025, Memphis, Tennessee, USA). American Society of Mechanical Engineers, 2025. Vol. 5. Paper no. GT2025-154287, V005T12A034. 14 p. https://doi.org/10.1115/gt2025-154287.
  29. Sharma H., Mistry C. S., Roy A. Sweeping jet film cooling over the suction surface of HP turbine NGV with forward and reversed hole configurations. ASME turbo expo 2024: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 24–28, 2024, London, United Kingdom). American Society of Mechanical Engineers, 2024. Vol. 7. Paper no. GT2024-129582, V007T12A047. 14 p. https://doi.org/10.1115/gt2024-129582.
  30. Sharma H., Kumar K. S. P., Roy A., Mistry C.S. Effect of blowing configurations on heat transfer augmentation with multihole sweeping jet film cooling. ASME turbo expo 2025: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 16–20, 2025, Memphis, Tennessee, USA). American Society of Mechanical Engineers, 2025. Vol. 5. Paper no. GT2025-153525, V005T12A026. 13 p. https://doi.org/10.1115/gt2025-153525.
  31. Zhao Z., He L. M., Dai S., Shao S. Computational research on film cooling performance of different shaped holes with backward and forward injection. AIP Advances. 2019. Vol. 9. Iss. 5. Article 055009. https://doi.org/10.1063/1.5091573.
  32. Wang J., Liu C., Zhao Z., Baleta J., Sundén B. Effect and optimization of backward hole parameters on film cooling performance by Taguchi method. Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 214. Article 112809. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112809.
  33. Tamang S., Kwon H., Choi J., Ligrani P., Lee H., Jung G., Park H. Numerical investigation of adiabatic film cooling effectiveness through compound angle variations. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 2020. Vol. 78. Iss. 10. P. 595–618. https://doi.org/10.1080/10407782.2020.1803600.
  34. Baldauf S., Scheurlen M., Schulz A., Wittig S. Correlation of film-cooling effectiveness from thermographic measurements at enginelike conditions. Journal of Turbomachinery. 2002. Vol. 124. Iss. 4. P. 686–698. https://doi.org/10.1115/1.1504443.
  35. Watanabe K., Matsuura M., Suenaga K., Takeishi K. I. An experimental study on the film cooling effectiveness with expanded hole geometry. Proceedings of the international gas turbine congress, 1999 Kobe TS-48. 1999. P. 615–622.
  36. Sandri U., Polanka M. D., Picchi A., Andreini A., Facchini B. Adiabatic effectiveness measurements of film cooling in supersonic flow. ASME turbo expo 2025: Turbomachinery technical conference and exposition: Proceedings paper (June 16–20, 2025, Memphis, Tennessee, USA). American Society of Mechanical Engineers, 2025. Vol. 5. Paper No. GT2025-152900, V005T12A013. 15 p. https://doi.org/10.1115/gt2025-152900.
  37. Müller M., Morsbach C. Assessment of source term and turbulence model combinations for film cooling in turbines. Proceedings of the 15th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics (April 24–28, 2023, Budapest, Hungary). 2023. Paper ID ETC2023-281. 16 p. https://doi.org/10.29008/etc2023-281.
  38. Colban W. F., Thole K. A., Bogard D. A film-cooling correlation for shaped holes on a flat-plate surface. Journal of Turbomachinery. 2010. Vol. 133. Iss. 1. Article 011002. 11 p. https://doi.org/10.1115/1.4002064.
  39. Bradley A., Wren J. Comparison of correlations and experiments for prediction of vane film cooling in gas turbines: Report of Department of Management and Engineering Division of Applied Thermodynamics and Fluid Mechanics LIU-IEI-R–10/0102–SE. Sweden, Linkoping: Linkoping University, Institute of Technology. 9 p. https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:611589/FULLTEXT01.pdf.

 

Надійшла до редакції 26.10.2025

Прийнята 20.11.2025