بررسی عددی تاثیر شرایط ورودی بر روی نتایج شبیه سازی انتقال حرارت در یک پره توربین گاز

توربین های گازی استفاده بسیار گسترده ای در صنعت دارند. بازده حرارتی و توان خروجی این توربین ها با افزایش دمای گاز ورودی افزایش می یابد. با توجه به محدودیت دما برای قطعات، خنک کاری یک امر ضروری است. برای بررسی خنک کاری با توجه به هزینه های بالای آزمایشات مربوطه نیاز به شبیه سازی توربین وجود دارد. برای یک شبیه سازی واقعی همواره نیاز به اطلاعاتی کامل از شرایط کارکرد توربین وجود دارد که عموما مشخص نیست و بدست آوردن آن مستلزم صرف هزینه های زیاد است. لذا ضروری به نظر می رسد که میزان ارزش اطلاعات دقیق از شرایط کارکرد توربین گاز مشخص شود تا بدانیم که آیا لازم است برای بدست آوردن این مجهولات هزینه های مربوطه صرف شود یا اینکه تاثیر این پارامتر ها به قدری نیست که ارزش این هزینه های بالا را داشته باشد. از سوی دیگر در صورت تخمین زدن این مقادیر نتایج حاصل تا چه اندازه قابل اعتماد است. به همین منظور در این پژوهش آثار بکار گیری تقریب های معقول در مرزهای ناحیه محاسباتی بر روی نتایج شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور در گام نخست یک پره ثابت با استفاده از روش حل همزمان حرارتی به صورت سه بعدی به کمک نرم افزار fluent شبیه سازی شد. تطابق بسیار خوب نتایج با مقادیر تجربی نشان می دهد حل همزمان جریان و انتقال حرارت در سیال و جامد یک روش کارا برای پیش بینی وضعیت جریان بر روی پره توربین گاز می باشد. پس از کسب اطمینان از صحت نتایج شبیه سازی به بررسی میزان اثر تقریب های معقول برای شرایط مرزی مورد استفاده در هریک از مرزهای ناحیه محاسباتی پرداخته شده است. در مرز ورودی کانال اصلی تغییر طول مشخصه اغتشاش در محدوده صنعتیِ مورد بررسی تا 6/0 درصد بر روی دمای سطح پره تاثیر می گذارد. میزان این تاثیر بر روی دما با تغییر شدت اغتشاش در مرز ورودی کانال اصلی حداکثر به 8/1 درصد می رسد. استفاده از پروفیل های معقول و حداکثری برای سرعت جریان ورودی به کانال اصلی می تواند تا 8/3 درصد بر روی نتایج دما تاثیر بگذارد. در صورتی که اطلاعات کافی از پروفیل سرعت سیال ورودی در یک توربین صنعتی در دسترس نباشد، توصیه می شود که از یک پروفیل میانی مانند پروفیل تجربی مورد استفاده در این پژوهش استفاده شود. با انجام این کار میزان حداکثر خطای ممکن ناشی از دقیق نبودن شرط مرزی بر روی نتایج دمای بدست آمده به حدود2/2 درصد می رسد. برای پروفیل دمای جریان ورودی به کانال اصلی نتایج نشان می دهد که نوع پروفیل منحنی شکل بکار گرفته شده خیلی تاثیر گذار نیست(میزان تاثیر منحنی بکار رفته بر روی دمای سطح پره کمتر از 7/0 درصد است)، ولی بین نتایج پروفیل منحنی و پروفیل یکنواخت برای دمای سیال ورودی تفاوت نتایج قابل ملاحظه است. از آنجا که روند نتایج مربوط به پروفیل های منحنی شکل با مشاهدات تجربی تطابق خوبی دارد لذا شدیدا توصیه می شود در صورتی که اطلاعات کافی از پروفیل دمای سیال ورودی در یک توربین صنعتی در دسترس نباشد، که از یک پروفیل منحنی شکل مانند پروفیل تجربی مورد استفاده در این پژوهش استفاده شود. شدت اغتشاش جریان ورودی به کانال های خنک کاری تا یک درصد و پروفیل سرعت این جریان تا 2 درصد بر روی دمای بدست آمده در سطح پره تاثیر می گذارد. اثر در نظر گرفتن خنک کاری در دیواره های انتهای پره با تقریب خوبی قابل صرف نظر است. بدیهی است که مقادیر اعداد مذکور مختص پره مورد بررسی است و در حالت کلی تنها معرف مرتبه بزرگی تاثیرات است.