Impingement of a Round Jet on a Circular Pin-Fin Inside the Potential Core

Abstract

터빈 날개의 내부유동 냉각에 있어서 날개 뒷전의 원기둥 냉각은 자주 사용되는 냉각 방법이다. 날개 종류에 따라서 원기둥 냉각은 관통된 통로, 혹은 차폐, 유동 냉각을 이용하며 이러한 차폐는 유동의 난류를 증가시킨다. 하지만 이러한 냉각 방법에서 의도되지 않은 현상이 나타나곤 하는데 이것이 날개 뒷전 원기둥의 원형제트 충돌이다. 따라서 이번 연구에서는 원형제트의 원기둥 충돌을 조사하였으며 실린더 주변의 열전달 분포를 공기역학적으로 설명한다. 제트의 난류 혼합층과 원기둥 위에서 성장하는 층류 경계층의 결합으로 인한 경계층 천이가 원기둥 위 두번째 열전달률 최고점을 유발하는 것이 새로이 발견되었다. 이러한 결합은 포텐셜 코어유동을 종료시킴으로써 점성제트를 형성하여 벽으로부터 운동량을 분산시켜 열전달률의 점진적 감소와 경계층 박리를 촉진시킨다. 하지만 이러한 결합은 또한 난류와 곡률 유동이 열전달률이 일정한 값을 가지게 되는 원형 기둥 후류 유동의 경계층 박리를 지연 시킨다.

The internal cooling configurations of a turbine blade frequently incorporate pin-fins in the trailing edge. Some blades also incorporate perforated baffles, or blockages, upstream of the pin-fins. The blockages are intended to augment turbulence. However, an unintended consequence is the exposure of the trailing edge pin-fins to the impingement of round jets. The present study examines the impingement of a round jet on a circular pin-fin / cylinder and aerodynamically explains the heat transfer distribution in the crossflow plane. After stagnation, a second peak in heat transfer has been newly found to be caused by transition of the boundary layer incited by merger of the turbulent mixing layer of the jet with the laminar boundary layer developing on the cylinder surface. Merger results in the termination of the potential core, forming a viscous jet that transports momentum away from the wall causing a monotonic decline in heat transfer and promoting separation of the boundary layer. However, turbulence and streamline curvature delay separation to the far aft of the cylinder where heat transfer eventually plateaus.