Análisis de rendimiento de enfriamiento por película de diferentes configuraciones de orificios de enfriamiento...

Área de la Ciencia:

• Ingeniería Aeroespacial
• Ingeniería Mecánica
• Dinámica de Fluidos Computacional

Sus antecedentes:

• El enfriamiento por película es crucial para la protección térmica en componentes de turbinas de gas de alta temperatura.
• La optimización de la geometría de los orificios de enfriamiento es esencial para mejorar la eficiencia de la barrera térmica.
• La comprensión de la dinámica de fluidos en diversas condiciones operativas es clave para mejorar el rendimiento de las turbinas de gas.

Objetivo del estudio:

• Investigar el rendimiento del enfriamiento por película de diferentes configuraciones de orificios sobre una placa plana.
• Analizar el impacto del número de Mach de la corriente principal y la relación de soplado en la efectividad del enfriamiento.
• Desarrollar un método para calcular la presión total del refrigerante en la entrada.

Principales métodos:

• Simulaciones numéricas utilizando la plataforma de dinámica de fluidos computacional (CFD) OpenFOAM.
• Se investigaron cinco configuraciones distintas de orificios de enfriamiento, incluidos diseños cilíndricos y en forma de abanico.
• Se realizaron simulaciones a números de Mach de 0.2 y 0.5, y relaciones de soplado de 0.5, 1.0 y 1.5.

Principales resultados:

• Las configuraciones de orificios escalonados en forma de abanico demostraron consistentemente la mayor efectividad de enfriamiento.
• A Mach 0.5 y una relación de soplado de 1.5, los orificios en forma de abanico mostraron una distribución asimétrica del refrigerante debido a la separación del flujo.
• Esta asimetría provocó una reducción del ~60% en la efectividad promedio de enfriamiento por película para los orificios escalonados en forma de abanico en comparación con los orificios cilíndricos en la misma relación de soplado.

Conclusiones:

• Los orificios en forma de abanico proporcionan un enfriamiento por película superior, pero su rendimiento es sensible a las condiciones del flujo.
• La separación del flujo en canales en forma de abanico a altos números de Mach y relaciones de soplado degrada significativamente la eficiencia del enfriamiento.
• La ecuación matemática presentada ayuda a establecer condiciones de contorno de entrada precisas para simulaciones de enfriamiento por película.