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논문 상세정보

가스터빈 노즐 베인의 열전달 예측을 위한 벽면처리법 비교연구

Comparative Study of Near-Wall Treatment Methods for Prediction of Heat Transfer over Gas Turbine Nozzle Guide Vane

초록

난류모델에서 벽면처리법이 터빈 노즐 베인의 열전달 예측에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 본 연구를 위해 NASA의 C3X 터빈 노즐 베인을 사용하였다. 벽함수 방법, 저레이놀즈수 방법, 천이모델을 사용하여 베인 표면에서의 압력 및 온도를 해석하였다. 해석 결과 터빈 노즐 베인의 중간 압력분포는 각 벽면처리법에 따른 차이 없이 실험값과 잘 일치하였다. 그러나 터빈 노즐 베인의 온도와 열전달 계수는 각 벽면처리법에 따라 큰 차이를 보였다. 전반적으로 저레이놀즈수 방법과 천이모델은 벽함수 방법에 비해 온도 및 열전달 계수 예측에 특별한 이점을 보이지 않았으며, 벽함수 방법을 적용한 레이놀즈응력 난류모델이 터빈 노즐 베인 표면의 온도 및 열전달 계수를 비교적 잘 예측하였다.

Abstract

The comparative analysis of near-wall treatment methods that affect the prediction of heat transfer over the gas turbine nozzle guide vane were presented. To achieve this objective, wall-function and low Reynolds number methods, and the transition model were applied and simulated using NASA's C3X turbine vane. The predicted turbine vane surface pressure distribution data using the near-wall treatment methods were found to be in close agreement with experimental data. However, the predicted vane metal temperature and heat transfer coefficient displayed significant differences. Overall, the low Reynolds method and transition model did not offer specific advantages in the prediction of temperature and heat transfer than did the wall-function method. The Reynolds stress model used along with the wall-function method resulted in a relatively high accuracy of prediction of the vane metal temperature and heat transfer coefficient.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
벽함수 방법
벽함수 방법의 단점은 무엇인가?
점성저층 (viscous sub-layer)을 계산하지 않으므로, 벽면에서 점성효과가 큰 유동은 적절하게 모사되지 않는 단점이 있는 것

벽함수 방법은 저레이놀즈수 방법에 비해 성긴 격자와 소규모의 컴퓨터 자원으로 신뢰성 있는 해석 결과를 얻을 수 있다. 그러나 점성저층 (viscous sub-layer)을 계산하지 않으므로, 벽면에서 점성효과가 큰 유동은 적절하게 모사되지 않는 단점이 있는 것으로 알려져 있다. (3) 이러한 단점의 극복을 위해 경계층을 직접 계산하는 저레이놀즈수 방법이 이용되고 있으나, 열전달 예측에 크게 영향을 미치는 천이현상은 제한적으로만 예측할 수 있다.

베인의 냉각
베인의 냉각은 무엇을 사용하는가?
압축기의 추출공기 (bleed air)를 사용

일반적으로 베인의 냉각은 압축기의 추출공기 (bleed air)를 사용한다. 그러나 추출공기의 사용은 터빈 입구로 유입되는 유량을 감소시켜, 터빈 전체의 효율 저하를 가져온다.

벽면 처리 방법
벽면 처리 방법에는 어떤 것들이 있는가?
벽면 처리 방법에는 벽함수 방법(wall-function method), 저레이놀즈수 방법(low Reynolds number method) 등이 있다. 또한 층류에서 난류로의 천이현상 모사를 위해 천이모델(transition model)도 사용되고 있다.

CFD를 이용한 베인의 열전달 해석은 경계층 모사를 위해 사용되는 벽면처리법(near-wall treatment methods)이 결과값에 많은 영향을 미친다. (2) 벽면 처리 방법에는 벽함수 방법(wall-function method), 저레이놀즈수 방법(low Reynolds number method) 등이 있다. 또한 층류에서 난류로의 천이현상 모사를 위해 천이모델(transition model)도 사용되고 있다.

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참고문헌 (17)

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