Investigation of efficient film cooling configurations in realistically turbulent main flow

• Applicant: Professor Dr. Michael Pfitzner
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2017 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 324866747

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Es wurden Filmkühlbohrungen experimentell und numerisch mit erhöhter Haupströmturbulenz untersucht. Das ThermoPIV Verfahren wurde weiterentwickelt. Durch die hohe Sensitivität von ZnO im betrachteten Temperaturbereich konnte der zufällige Fehler bei der Temperaturmessung von ±18.4 K auf ±5 K gesenkt werden. Es wurden eigens für Zno Seeder entwickelt. Generell sollte man Grabenstrukturen so optimieren, dass das Einströmen von Heißgas in den Graben verhindert wird. Durch Einsatz von LES konnten die experimentellen Resultate und Sensitivitäten sehr umfangreich interpretiert und die Trenchgeometrie weiter optimiert werden. Überraschungen im Projektverlauf: Die Trenchvariationen sollten mit einer Fase gefertigt werden und die genaue Form dieser Fase sollte im Versuchsaufbau beschrieben werden. In der CFD Simulation muss diese Fase berücksichtigt werden, da das Ablöseverhalten und damit der Wärmeübergang an der sich stromabbefindenen Wand sich stark unterscheidet zwischen einer Geometrie mit scharfer oder stumpfer Kante. Überraschend war auch der recht große Einfluss von Partikelablagerungen auf die Ergebnisse, welche sich erst im Laufe der CFD-Nachrechnung manifestierte. Bei Nutzung des TPIV sollte vor jeder Messung der Filmkühleinsatz von ZinkOxid-Ablagerungen befreit werden, da diese die Kontur und Kühlbohrungen verstopfen können und dies die Strömung stark beeinflusst.

Publications

• Active Turbulence Generation for Film Cooling Investigations. Volume 5C: Heat Transfer (2018, 6, 11). American Geophysical Union (AGU).
  Bakhtiari, Amirabas; Sander, Tobias; Straußwald, Michael & Pfitzner, Michael
  
• High-Speed Velocity Measurements of Film Cooling Applications at High-Turbulence Main Flow Conditions. Volume 5C: Heat Transfer (2018, 6, 11). American Geophysical Union (AGU).
  Straußwald, Michael; Sander, Tobias; Bakhtiari, Amirabas & Pfitzner, Michael
  
• Time-resolved temperature and velocity field measurements in gas turbine film cooling flows with mainstream turbulence. Experiments in Fluids, 62(1).
  Straußwald, Michael; Abram, Christopher; Sander, Tobias; Beyrau, Frank & Pfitzner, Michael
  
• Analysis of LES and 1D Hot-Wire Data to Determine Actively Generated Main Flow Turbulence in a Film Cooling Test Rig. Volume 5A: Heat Transfer — Combustors; Film Cooling (2021, 6, 7). American Geophysical Union (AGU).
  Fischer, Lukas; Straußwald, Michael & Pfitzner, Michael
  
• Analysis of Large Eddy Simulations and 1D Hot-Wire Data to Determine Actively Generated Main Flow Turbulence in a Film Cooling Test Rig. Journal of Turbomachinery, 144(11).
  Fischer, Lukas; Straußwald, Michael & Pfitzner, Michael
  
• Conjugate Heat Transfer of Cylindrical and Trenched Film Cooling Designs With Array Jet Impingement. Volume 6A: Heat Transfer — Combustors; Film Cooling (2022, 6, 13). American Geophysical Union (AGU).
  Fischer, Lukas; Sanchez, Andrés; Schleich, Fabian; Feller, Fabian; Raffelt, Richard & Pfitzner, Michael
  
• Experimentelle Untersuchung von Filmkühlung unter brennkammertypischen Strömungsbedingungen. PhD thesis, München, Deutschland
  Straußwald, M.
  
• Investigating the Influence of Mainstream Turbulence and Large Vortices on Gas Turbine Trenched Film Cooling Flows Using Planar Temperature-Velocity Imaging. Journal of Turbomachinery, 144(10).
  Straußwald, Michael; Sander, Tobias; Abram, Christopher & Pfitzner, Michael