Конвективный теплообмен и гидродинамика течения у торцевой стенки лопатки турбины под действием магнитного поля

Выполнен анализ влияния магнитогидродинамики на теплообмен на торцевых стенках лопаток турбины с использованием компьютерного моделирования. При моделировании учтена трехмерная геометрия лопатки турбины, напряженность магнитного поля и граничные условия. Результат моделирования показал, что существование магнитного поля может значительно повысить эффективность пленочного охлаждения в среднем на шаг и теплообмен на торцевой стенке, особенно вблизи краев лопатки турбины с оптимальным магнитным полем. Это приводит к более равномерному распределению теплопередачи вдоль торцевой стенки и может помочь уменьшить количество горячих точек и предотвратить термическое повреждение края лопатки турбины. Исследование показало необходимость учета напряженности магнитного поля и его влияние на характеристики потока и теплопередачу при проектировании лопаток турбин для высокоскоростных применений. Оптимизируя конструкцию лопаток турбины с учетом магнитогидродинамического эффекта, инженеры могут улучшить общую производительность и срок службы этих критически важных компонентов. Численное моделирование применено для эффективного прогнозирования последствий контурирования торцевых стенок с использованием коэффициента вторичной кинетической энергии в качестве окончательного параметра, полученного в результате выполненного анализа. Показано снижение тепловой нагрузки на торцевую стенку лопасти турбины с уменьшением чистого теплового потока и улучшение аэродинамических характеристик торцевой стенки с неосесимметричным контуром, подвергнутой воздействию магнитного поля оптимальной напряженности. В работе продемонстрировано влияние вихрей на теплообмен торца относительно лопатки под воздействием магнитогидродинамики для снижения массы и стоимости газотурбинного двигателя.

1. Arjun K.S., Tide P.S., Biju N. Optimum profiles of endwall contouring for enhanced net heat flux reduction and aerodynamic performance // Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2023. in press. https://doi.org/10.11916/j.issn.1005-9113.2023037

2. Krishna M.V., Ahamad N.A., Chamkha A.J. Numerical investigation on unsteady MHD convective rotating flow past an infinite vertical moving porous surface // Ain Shams Engineering Journal. 2021. V. 12. N 2. P. 2099–2109. https://doi.org/10.1016/j.asej.2020.10.013

3. Xenos M., Dimas S., Kafoussias N. MHD compressible turbulent boundary-layer flow with adverse pressure gradient // Acta Mechanica. 2005. V. 177. P. 171–190. https://doi.org/10.1007/s00707-005-0221-7

4. Jaafar A., Waini I., Jamaludin A., Nazar R., Pop I. MHD flow and heat transfer of a hybrid nanofluid past a nonlinear surface stretching/ shrinking with effects of thermal radiation and suction // Chinese Journal of Physics. 2022. V. 79. P. 13–27. https://doi.org/10.1016/j.cjph.2022.06.026

5. Ali A., Kanwal T., Awais M., Shah Z., Kumam P., Thounthong P. Impact of thermal radiation and non-uniform heat flux on MHD hybrid nanofluid along a stretching cylinder // Scientific Reports. 2021. V. 11. P. 20262. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99800-0

6. Mobadersani F., Rezavand A. MHD effect on nanofluid flow and heat transfer in backward-facing step using two-phase model // AUT Journal of Mechanical Engineering. 2020. V. 4. N 1. P. 51–66. https:// doi.org/10.22060/AJME.2019.14843.5747

7. Loganayagi V., Kameswaran P.K. Magnetohydrodynamic and heat transfer impacts on ferrofluid over a rotating disk: An application to hard disk drives // Journal of Thermal Science and Engineering Applications. 2021. V. 13. N 1. P. 011001. https://doi.org/10.1115/1.4047007

8. Nourbakhsh A., Mombeni H., Bayareh M. Effects of radiation and magnetohydrodynamics on heat transfer of nanofluid flow over a plate // SN Applied Sciences. 2019. V. 1. P. 1581. https://doi.org/10.1007/s42452-019-1634-6

9. Ellahi R., Alamri S.Z., Basit A., Majeed A. Effects of MHD and slip on heat transfer boundary layer flow over a moving plate based on specific entropy generation // Journal of Taibah University for Science. 2018. V. 12. N 4. P. 476–482. https://doi.org/10.1080/16583655.2018.1483795

10. Ullah H., Hayat T., Ahmad S., Alhodaly M.S., Momani S. Numerical simulation of MHD hybrid nanofluid flow by a stretchable surface // Chinese Journal of Physics. 2021. V. 71. P. 597–609. https://doi.org/10.1016/j.cjph.2021.03.017

11. Jusoh R., Nazar R., Pop I. Magnetohydrodynamic boundary layer flow and heat transfer of nanofluids past a bidirectional exponential permeable stretching/shrinking sheet with viscous dissipation effect // ASME Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. V. 141. N 1. P. 012406. https://doi.org/10.1115/1.4041800

12. Yıldız F., Alpman E., Kavurmacioglu L., Camci C. An Artificial Neural Network (ANN) based aerothermal optimization of film cooling hole locations on the squealer tip of an HP turbine blade: preprint // SSRN Electronic Journal. 2022. https://doi.org/10.2139/ssrn.4117325

13. Alam T., Kim M-H. A comprehensive review on single phase heat transfer enhancement techniques in heat exchanger applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. V. 81. P. 813–839. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.08.060

14. Malvandi A. Film boiling of magnetic nanofluids (MNFs) over a vertical plate in presence of a uniform variable-directional magnetic field // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2016. V. 406. P. 95–102. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.01.008

15. Inverse Heat Conduction and Heat Exchangers / ed. by S. Bhattacharyya, R. Mehta, M.M. Ardekani, R. Biswas. London, UK, IntechOpen Ltd., 2020. http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.80096

16. Mahfoud B. Simulation of magnetic field effect on heat transfer enhancement of swirling nanofluid // International Journal of Computational Materials Science and Engineering. 2022. V. 11. N 4. P. 2250007. https://doi.org/10.1142/S2047684122500075

17. Arjun K.S., Tide P.S., Biju N. Turbine passage secondary flow dynamics and endwall heat transfer under different inflow turbulence // Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2023. in press. https://doi.org/10.11916/j.issn.1005-9113.2023042

18. Tsujita H., Mizuki S., Yamamoto A. Numerical investigation of effects of incidence angle on aerodynamic performance of ultra-highly loaded turbine cascade // Proc. of the ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea, and Air, Turbomachinery, Parts A and B. Vol. 6. 2006. P. 839–849. https://doi.org/10.1115/GT2006-90939

19. Snedden G.C. The Application of Non-Axisymmetric Endwall Contouring in a 1½ Stage, Rotating Turbine: PhD thesis. Durham University, United Kingdom, 2011.

20. Vázquez R., Fidalgo V.J. The effect of Reynolds and Mach number on end-wall profiling performance // Proc. of the ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air, Turbomachinery, Parts A, B, and C. Vol. 7. 2010. P. 1357–1368. https://doi.org/10.1115/GT2010-22765

21. Du K., Jia Y., Song H., Chen L., Zhang Q., Cui T., Liu C. Effect of slot jet flow on non-axisymmetric endwall cooling performance of high-load turbines // Machines. 2023. V. 11. N 2. P. 134. https://doi.org/10.3390/machines11020134

22. Schäflein L., Janssen J., Brandies H., Jeschke P., Behre S. Influence of purge flow injection on the performance of an axial turbine with three-dimensional airfoils and non-axisymmetric endwall contouring // Journal of Turbomachinery. 2023. V. 145. N 6. P. 061004. https://doi.org/10.1115/1.4056238

23. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA — Journal. 1994. V. 32. N 8. P. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

24. Menter F.R., Langtry R.B., Likki S.R., Suzen Y.B., Huang P.G., Völker S. A correlation-based transition model using local variables - Part I: Model formulation // Journal of Turbomachinery. 2006. V. 128. N 3. P. 413–422. https://doi.org/10.1115/1.2184352

25. Lynch S.P., Thole K.A. Heat transfer and film cooling on a contoured blade endwall with platform gap leakage // Journal of Turbomachinery. 2017. V. 139. N 5. P. 051002. https://doi.org/10.1115/1.4035202

26. Ingram G. Endwall Profiling for the Reduction of Secondary Flow in Turbines: PhD thesis. Durham University, United Kingdom, 2003.

27. Bai B., Li Z., Li J., Mao S., Ng W.F. The effects of axisymmetric convergent contouring and blowing ratio on endwall film cooling and vane pressure side surface phantom cooling performance // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2022. V. 144. N 2. P. 021020. https://doi.org/10.1115/1.4052500

28. Versteeg H.K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. The Finite Volume Method. Pearson Prentice Hall, 1995. 503 p.

29. Snedden G., Dunn D., Backstrom V.T.W., Ingram G. Observations on the selection of objective function for the optimisation of turbine endwalls using computational fluid dynamics // Proc. of the 7th South African Conference on Computational and Applied Mechanics (SACAM). 2010. P. 574-588.