مطالعه عددی اثرات سرعت دورانی بر عملکرد خنک کاری لوله های حرارتی دوار شعاعی با آب به عنوان سیال کاری در پره توربین هواپیما

در این مطالعه، اثر سرعت دورانی بر عملکرد حرارتی لوله حرارتی دورانی شعاعی پر شده با آب که درون پره توربین هواپیما تعبیه شده است به صورت عددی بررسی شد. از مدل دو فازی حجم سیال (VOF) همراه با مدل آشفتگی SST k–ω برای شبیه سازی فرایندهای تبخیر و تراکم تحت شار حرارت بالا به میزان ۱×۱۰⁶ وات بر متر مربع و دمای گاز ورودی توربین ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد استفاده گردید. سرعت دورانی از ۱۰,۰۰۰ تا ۵۰,۰۰۰ دور بر دقیقه تغییر داده شد تا تاثیر آن بر کیفیت بخار، ضخامت فیلم مایع، توسعه لایه مرزی، مقاومت حرارتی، دمای جوش، انرژی جنبشی آشفتگی (TKE) و توزیع دمای پره بررسی شود. نتایج نشان داد افزایش سرعت دورانی به شکل قابل توجهی نیروی گریز از مرکز را افزایش داده که منجر به نازک تر شدن فیلم مایع، اختلاط قوی تر فازها و سطوح بالاتر آشفتگی می شود. ضخامت میانگین فیلم مایع از تقریبا ۰.۰۷۸ میلی متر در ۱۰,۰۰۰ دور بر دقیقه به ۰.۰۱۶ میلی متر در ۵۰,۰۰۰ دور بر دقیقه کاهش یافت در حالی که ضخامت لایه مرزی هیدرودینامیکی از ۰.۴۶ میلی متر به ۰.۰۹ میلی متر رسید. در نتیجه، ضریب انتقال حرارت میانگین در بخش تبخیر از ۲.۹۸×۱۰⁵ به ۹.۱۲×۱۰⁵ وات بر متر مربع بر کلوین افزایش یافت. مقاومت حرارتی کلی از ۰.۰۶۶۹ به ۰.۰۱۸۲ کیلوین بر وات کاهش یافته که تقریبا ۷۳٪ کاهش نشان می دهد. علاوه بر این، افزایش فشار گریز از مرکز دمای جوش موثر آب را از ۱۰۰.۵ درجه به ۱۲۶.۷ درجه سانتی گراد ارتقا داد. به موازات آن، افزایش قابلیت انتقال حرارت دمای حداکثر پره توربین را از ۱۰۲۰ به ۸۳۰ درجه سانتی گراد کاهش داد. کیفیت بخار و توزیع فاز یکپارچه تر شد که بیانگر بهبود پایداری دو فازی و کاهش نوسانات حرارتی است. یافته ها نشان می دهد که سرعت دورانی یکی از پارامترهای بسیار تاثیرگذار بر عملکرد حرارتی لوله های حرارتی دوار شعاعی بوده و به طور قابل توجهی کارایی خنک کاری پره های توربین دمای بالا را بهبود می بخشد.

کلیدواژه ها:

heat flux ، kinetic energy ، thermal resistance ، cooling effectiveness ، rotational speed