Ayrılmış Sınır Tabaka Akışının Doğrudan Sayısal Benzetimi

Abstract

Düşük basınçlı türbinlerin verimliliğini etkileyen en önemli faktör türbin palasının emme bölgesinde oluşan laminar ayrılma baloncuğunun boyutudur. Laminar ayrılma baloncuğu, ters basınç gradyanı sebebiyle laminar sınır tabakada akışın duvardan ayrılmasıyla, akışla birlikte gelen bozuntuların büyüklüğünün artması ile akışın laminarden türbülansa geçmesi ve duvar doğrultusunda türbülansdan kaynaklanan momentum alış-verişinin artması sebebiyle akışın duvarla yeniden birleşmesiyle oluşur. Bu çalışmada, düşük basınçlı gaz türbinin emme bölgesi düz bir plaka üzerinde akış doğrultusunda basınç dağılımı tanımlanarak modellenmiştir. Ayrık yüzey pürüzlülüğü ve periyodik iz bölgesinin ayrılma baloncuğunun laminardan türbülansa geçişi ve bu geçiş mekanizmasının kontrolü üzerindeki etkileri doğrudan sayısal benzetim yöntemiyle incelenmiştir. Yüksekliği kanat açıklığı doğrultusunda periyodik olarak değişen üç boyutlu yüzey pürüzlülük elemanı gömülü sınır yöntemi kullanılarak modellenmiştir. İz etkisi, plakaya dik doğrultuda hareket eden lineer şekilde sıralanmış silindirlerin arkasında oluşan ortalama iz profili ile sayısal olarak modellenmiştir. Sonuçlar, laminardan türbülansa geçiş bölgesinin konumu ve dolayısıyla laminar ayrılma baloncuğunun şekli ve genişliğinin yukarıda bahsedilen, laminardan türbülansa geçiş sürecini yöneten pasif kontrol elemanlarına bağlı olduğunu göstermiştir. Laminar ayrılma baloncuğu, pürüzlülük elemanını ayrılma bölgesinden önceye konumlandırarak ve düşük frekansta iz bölgesi etkisi tanımlanarak kontrol altına alınabilir.The main factor that determines the efficiency of a low-pressure-turbine is the size of the laminar separation bubble that forms on the suction side of the turbine blade. A laminar separation bubble occurs when a laminar boundary layer separates in the presence of an adverse streamwise pressure gradient, undergoes laminar-to-turbulent transition through the amplification of disturbances within the flow, and then reattaches due to the enhanced wall-normal momentum exchange arising from turbulence. In this study, the suction side of a low-pressure gas-turbine blade is modeled as a flat plate with a streamwise pressure distribution. The effects of discrete surface roughness and periodic large-scale wake forcing on separation bubble transition and control are investigated numerically by direct numerical simulation. The three-dimensional discrete roughness with varying roughness height in the spanwise direction is modeled using immersed boundary method. The wake effect is numerically modeled as the mean wake deficit profile created by a linear row of cylinders moving in a direction perpendicular to the flat plate. Results indicate that the location of transition—and hence the shape and extent of the separation bubble—largely depend on which of the above-noted passive control mechanisms dominates the transition process. The laminar separation bubble is controlled by positioning the roughness element upstream of the separation bubble and introducing a low-frequency large-scale wake forcing.