Impact of RANS- and LES-based turbulence modeling on predicted flow phenomena of advanced film cooling configurations for gas turbines

Dickhoff, Jens; Wirsum, Manfred; Schröder, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2024-11494

Impact of RANS- and LES-based turbulence modeling on predicted flow phenomena of advanced film cooling configurations for gas turbines = Einfluss von RANS- und LES-basierter Turbulenzmodellierung auf die Vorhersage von Strömungsphänomenen fortschrittlicher Filmkühlkonfigurationen für Gasturbinen

Dickhoff, Jens^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jens Dickhoff

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Wirsum, Manfred (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-11494
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/998641/files/998641.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Aerodynamisches Institut (415110)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In modernen Gasturbinen mit hohen Verbrennungs- und Turbineneintrittstemperaturen ist die Filmkühlung zum Schutz von Komponenten im Heißgaspfad, wie dem Turbinenlauf- und - leitschaufeln sowie Brennkammerauskleidungen, zur Reduzierung der Materialtemperatur und zur Aufrechterhaltung einer akzeptablen Temperaturbelastung unerlässlich. Filmkühlbohrungen (FKB) mit z.T. komplex-geformten Diffusoraustritten werden heutzutage häufig an Stellen mit erhöhtem Kühlluftbedarf verwendet, an denen einfache zylindrische Bohrungen eine geringere Kühleffektivität aufweisen, da der Kühlluftstrahl dazu neigt, von der Komponentenoberfläche abzuheben. Auch die sog. Nekomimi-förmige FKB (猫耳: Japanisch für “Katzenohren”) hat v. a. in CFD-basierten Studien, z.B. von Tekin, großes Potential zur Leistungssteigerung durch passive Steuerung sekundärer Strömungsstrukturen, welche sich aus der Wechselwirkung zwischen Haupt- und Kühlströmung ergeben (Jet-In-Cross-Flow, JICF), gezeigt. Aus den Studien wurde eine Hypothese zur Erklärung der Überlegenheit dieser FKB im Vergleich zu einfacher-geformten Varianten abgeleitet: Die Umkehrung der Nierenwirbel führt zu einer Ausbreitung des Kühlmittels in seitlicher Richtung an der Wand und einer verringerten Durchmischung zwischen Haupt- und Kühlmittelstrom. Auch experimentelle Untersuchungen stützen die qualitativen Tendenzen aus numerischen Arbeiten. Allerdings erscheint die Filmkühlströmung sehr empfindlich gegenüber der Wahl der Designparameter und äußerer Randbedingungen (Druckfeld, Strömungsrichtungen oder -ablösungen; s. Studie aus 2016 zur Applikation der Nekomimi-förmigen FKB auf einem Leitschaufeldeckband). Dies schränkt den Anwendungsbereich und die Verlässlichkeit stark ein und erhöht die Unsicherheit des erwartbaren Komponentenschutzes. Weiterhin zeigten frühere Simulationen auf Basis von Reynolds-Gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS) stets eine Diskrepanz zu experimentellen Ergebnissen in der Methodenvalidierung, was die Gültigkeit der obigen Hypothese grundsätzlich in Frage stellt. Die in der vorliegenden Arbeit gezeigten Grobstruktursimulationen (Engl. Large Eddy Simulation, LES) schließen diese Lücke und zeigen im Rahmen der Methodenvalidierung eine sehr gute Abbildungsgenauigkeit exp. Ergebnisse für zylindrisch- und modern-geformte („7-7-7“ FKB nach Schroeder et al. [5]) Filmkühlkonfigurationen. Vor allem die Unterschiede zw. RANS- und LES-Ergebnissen in Bezug auf das Ablösungsverhalten der Strömung im Bohrloch und dem Einfluss des Hufeisenwirbels werden verdeutlicht. Es wird ein neues Phänomen beobachtet und untersucht, das auf den HSV- Effekt zurückzuführen ist: Das Filmkühlmuster bildet eine schirmartige Struktur um die Vorderkante des FCH und schützt so den Hauptkühlstreifen vor der Diffusion heißer Gase aus der Hauptströmung. Das Muster wurde 2013 bereits von Johnson et al. für kreisrunde Filmkühlbohrungen in hochgenauen experimentellen Untersuchungen (Particle Image Velocemetry, PIV Messungen) beobachtet, jedoch nicht weiter untersucht. Für die Filmkühlstrahlausbildung der Nekomimi-geformten FKB spielt es jedoch eine wichtige Rolle. Durch den Vergleich zwischen verschiedenen LES- und RANS-basierten Ergebnissen sowie unterschiedlichen FKB wird das Verständnis für realen und durch Modelle vorhergesagten Strömungsstrukturen deutlich verbessert. So wird es möglich, auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse über die Strömungsablösungen im FCH und den „Umbrella Effect“, im Rahmen der vorliegenden Arbeit final ein Konzept zur Verbesserung der Robustheit der Nekomimi-förmigen Bohrungen abzuleiten und numerisch zu testen.

In modern gas turbines with high combustion and turbine inlet temperatures, film cooling is essential for the protection of components within the hot gas path, such as turbine blades and vanes as well as combustor liners and transition pieces, for metal temperature reduction and to maintain acceptable thermal stresses. Laid-back fan-shaped Film Cooling holes (FCH) are widely used today in locations with high cooling flow demands (high Blowing Ratio, BR), where simple cylindrical holes show lower cooling effectiveness. Besides other technologies, the so-called “Nekomimi”-shaped FCH (Nekomimi / 猫耳: Japanese for “cat ear”) has shown the potential to increase the film cooling effectiveness by controlling the flow structures resulting from the interaction between main and cooling flow (Jet-In-Cross-Flow, JICF). Especially the Counter- Rotating Vortex pair (CRV) is well known to be a key parameter to enhance film cooling performance. Intensive CFD-based studies have been carried out, e.g. by Tekin, to optimize the a Nekomimi-shape parameter and explain it’s superiority compared to other shapes. The hypothesis was: The reversal of the CRV results in a coolant spread-out in the lateral direction on the wall and a reduced mixing between main flow and coolant. Experimental qualitatively backed the CFD results, but experimental as well as numerical investigations also revealed that the film cooling performance is very sensitive to the chosen design parameters and flow boundary conditions. As presented in a study in 2016 on the application of the complex-shaped FCH on the shroud platforms of a turbine nozzle guide vane, any non-ideal cooling hole inflow, outflow, or flow formations within the hole can lead to significant performance impairments. This is limiting the application range. Also, numerical, and experimental results showed an obvious discrepancy, challenging the validity of the hypothesis above and the performance conclusions based on former RANS-based CFD simulations. Large Eddy Simulations (LES) performed now, not only show better agreement with experimental data but also reveal different flow phenomena changing our understanding of how to explain the performance gains originating from the special “Nekomimi”-shape. In the present study, these observations are analyzed for two different advanced-shaped film cooling holes – the laid-back fan-shaped 7-7-7 defined by Schroeder et al. and the Nekomimi-shaped FCH configuration. The focus is on the different in-hole detachment behavior and the influence of the Horseshoe Vortex (HSV), which is pronounced in LES results, but shows a very small impact on results obtained with RANS models. A new phenomenon originating from the HSV effect is revealed by high-fidelity CFD. The film cooling pattern forms an umbrella-like structure around the leading edge of the FCH, protecting the main cooling streak from hot gas diffusion. The pattern was also observed by Johnson in 2013 within an experimental study (Particle Image Velocimetry, PIV), but was not further explored. The present thesis introduces the term “Umbrella Effect” for the phenomenon. The comparison between LES- and RANS-based simulation results as well as different FCH shapes allows building a better understanding of the real and model-predicted flow structures and helps to understand their effects on the film cooling performance. From the knowledge gained about the flow detachments inside the FCH and the “umbrella effect”, a concept for improving the robustness of the Nekomimi-shaped bores is derived and numerically tested.

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