Aerothermal Characteristics of Ribbed Surfaces at High Reynolds Number

La demande croissante pour augmenter l’efficacité énergétique et diminuer l'empreinte environnementale nécessite des efforts pour améliorer les performances de transfert de chaleur, en particulier à des nombres de Reynolds élevés, pour des applications telles que les turbines à gaz. Des études antérieures ont montré que l'amélioration de la performance globale de transfert de chaleur en surface est généralement obtenue avec des turbulateurs à nervures complexes (par exemple, angulaires et brisées) plutôt qu'avec des nervures simples qui sont continues et transversales à l'écoulement. L'objectif de la présente thèse est d'évaluer et d'améliorer les performances de transfert de chaleur d’une famille de turbulateurs sous la forme de nervures de type V et W à des nombres de Reynolds (basés sur le diamètre hydraulique) supérieurs à 100,000, un régime d'écoulement ayant reçu peu d'attention dans la littérature. Les turbulateurs sont essentiellement des éléments de rugosité de surface qui améliorent le transfert de chaleur en brisant la couche limite, en augmentant la turbulence et la surface exposée à l’écoulement. Cependant, ces caractéristiques peuvent également augmenter la chute de pression (par rapport à une surface lisse) et entraîner des gradients thermiques sur la surface, ce qui a un impact négatif sur les performances aérothermiques et la durée de vie des composants sur lesquels ils sont appliqués. Par conséquent, cinq configurations de turbulateurs (de trois formes différentes) ont été sélectionnées à partir de recherches antérieures indiquant leurs avantages et leur potentiel en termes de chute de pression limitée, d'augmentation du transfert thermique et d'uniformité du transfert thermique. Des expériences de thermographie transitoire à cristaux liquides (TLC) à haute résolution sont réalisées pour obtenir des distributions du coefficient de transfert de chaleur détaillées. La technique expérimentale utilisée dans cette étude offre des avantages et des défis uniques dans l'examen de la distribution du transfert de chaleur sur la surface mesurée. Compte tenu des nombres de Reynolds élevés visés par cette étude, un nouveau montage expérimental a été construit pour permettre l'utilisation dédiée de la thermographie TLC. La conception de l'installation et les mesures ont été réalisées en collaboration avec l'Oxford Thermo-Fluids Institute. Dans la première étude, un type de configuration en V brisé a été étudié à des nombres de Reynolds élevés. La soufflerie complète a également été simulée numériquement à l'aide d'un modèle RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) afin d'évaluer la capacité de cette méthode pour estimer la distribution du transfert de chaleur sur la surface. Les résultats indiquent que les principales zones d'augmentation du transfert de chaleur, correspondant aux tourbillons longitudinaux, ont été bien capturées par les simulations numériques. Cependant, les zones de transfert de chaleur élevé et faible ont été surestimées et sous-estimées, respectivement, par l'analyse numérique. Cette étude révèle un besoin pour des méthodes numériques plus avancées afin de capturer les détails de l'écoulement secondaire. Dans la deuxième étude, l'effet de la rupture d'une nervure en forme de W a été examiné expérimentalement, indiquant la performance supérieure de la configuration en W rompu par rapport à la configuration en W continu. Compte tenu de l'impact de l'espacement des nervures sur les performances thermiques des turbulateurs, cet espacement a été modifié pour la configuration en W brisé et la configuration optimale a été identifiée. Les résultats expérimentaux et numériques indiquent que de forts tourbillons longitudinaux émanent des branches divergentes de la configuration en W brisé et améliorent le transfert thermique local. L'introduction de fentes dans les branches convergentes de la configuration en W brisé n'a pas entraîné une augmentation similaire du transfert de chaleur. Dans les derniers chapitres, des travaux complémentaires sont proposés ainsi qu'une discussion sur l'impact du refroidissement du turbulateur sur l'état thermo-mécanique des composants. Cette étude contribue à faciliter l'utilisation du refroidissement convectif amélioré dans les applications à nombre de Reynolds élevé telles que les turbines à gaz, ce qui peut contribuer à améliorer les performances du moteur et à réduire les émissions. Ceci est réalisé en fournissant une cartographie détaillée de l'espace de conception en ce qui concerne la performance du turbulateur et en fournissant un aperçu des caractéristiques de l'écoulement large, responsable de l'augmentation du transfert de chaleur. Bien que les turbines à gaz soient utilisées comme exemple principal d’application d'une conception améliorée de surface pour l’échange de chaleur, l'intention générale de cette étude est d'améliorer les connaissances fondamentales en transfert de chaleur convectif. Une étude de suivi, avec les configurations sélectionnées, est recommandée dans un canal plus large et plus long pour évaluer un espace de conception plus vaste, en ce qui concerne les applications industrielles dans les turbines à gaz et au-delà.

Abstract

The growing demand for energy efficiency and reduction of environmental footprint has resulted in efforts to improve heat transfer performance, especially at high Reynolds numbers, for applications such as gas turbines. Previous investigations have shown that improved overall surface heat transfer performance is typically achieved with complex rib turbulators (e.g., angled and broken) rather than with simple ribs that are continuous and transverse to the flow. The goal of the current thesis is to assess and improve heat transfer performance by assessing a group of turbulator designs in the forms of V and W type ribs at Reynolds numbers (based on hydraulic diameter) beyond 100,000, representing a flow regime which has received little attention in the literature. Turbulators are essentially surface roughness features that improve heat transfer by breaking the boundary layer, increasing turbulence and surface area. However, such features can also increase the pressure drop (compared with a smooth surface) and induce thermal gradients on the surface, with adverse impact on both the aerothermal performance and life cycle integrity of the components on which they are applied. Therefore, five turbulator configurations (three turbulator shapes) were selected from previous research of similar complex turbulators indicating advantages and potential in terms of limited pressure drop, heat transfer augmentation and heat transfer uniformity. The angled nature of these turbulators along with their segmented designs result in several streams of secondary flow and generation of longitudinal vortices which, when optimized, may deliver significant augmented heat transfer performance at controlled pressure drop. The outcome of this investigation may be relevant to improvement of energy efficiency in electronic, solar, nuclear and gas turbine applications. However, the focus and discussions here are addressing high Reynolds number components of gas turbines, motivated by a scarcity of studies in this field. High resolution Transient Liquid Crystal (TLC) thermography experiments are performed to obtain detailed HTC distributions. The experimental technique used in this study offers unique advantages and challenges in examining the heat transfer distribution on the measured surface. Given the high Reynolds numbers targeted, a new rig was built to enable the dedicated use of TLC thermography. The design of the rig and the experimental measurements were performed in collaboration with Oxford Thermo-Fluids Institute. In the first study, a type of broken V configuration was studied at high Reynolds numbers. The full wind tunnel was also numerically simulated using a RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) model to assess the capability of the method to estimate the heat transfer distribution on the surface. The results indicated that the main areas of heat transfer augmentation, corresponding to longitudinal vortices, were well captured by the numerical simulations. However, areas of high and low heat transfer were overestimated and underestimated, respectively, by the numerical analysis. This resulted in values for spatially averaged Nusselt number which were in general agreement between the numerical and the experimental results. Nevertheless, this study indicated the need for more advanced numerical methods for capturing the details of the secondary flow. In the second study, the effect of breaking a W shaped rib was examined experimentally, indicating the superior performance of the broken W configuration compared with the continuous W configuration. Considering the impact of rib spacing on the thermal performance of turbulators, this parameter was varied for the broken W configuration and the optimum configuration was determined. The experimental and numerical results indicated that strong longitudinal vortices emanate from the diverging legs of the broken W configuration and improve the local heat transfer. Introduction of slots in the converging legs of the broken W configuration did not result in a similar augmentation of heat transfer. This may be attributed to the interaction of the secondary flow streams on the converging legs of the W configuration that may be minimized by moving the diverging legs further away from each other. In the final chapters, further work is proposed along with a discussion on the impact of turbulator cooling on component thermo-mechanical state. This investigation contributes to facilitating the use of enhanced convective cooling in high Reynolds number applications such as gas turbines, which may yield improved engine performance and emission reduction. This is achieved by providing detailed mapping of the design space with respect to turbulator performance and providing insight into the large flow characteristics, responsible for heat transfer augmentation. Although gas turbines are used as the primary example of where enhanced heat exchanger design may be applied, the overall intention of this study is to improve general knowledge with respect to convective heat transfer. A follow up investigation, with the selected configurations, is recommended in a wider and longer channel to assess a broader design space with respect to industrial applications in gas turbines and beyond.