Grid Generation and Fluid-Solid Coupling Methods for the Investigation of Gas Turbine Rotor Blade Internal Cooling

Gracias al importante crecimiento de la potencia de cálculo los métodos numéricos se han convertido en una herramienta muy ventajosa a la hora de indentificar la complejidad física que subyace en los flujos. En el estudio de los problemas de refrigeración interna de los alabes del rotor en las turbinas de gas aparecen, todavía, desafíos importantes debido a las características que reúnen este tipo de elementos: complejidad de las geometrías, de las condiciones de flujo y de la naturaleza de la transferencia de calor en pasajes rotatorios. Esta tesis centra su estudio en en los desafíos presentes en el campo de la generación de malas numéricas, el método de transferencia de calor acoplando modelos fluido/sólido y en la comprensión de los efectos de la rotación en el flujo y en la transferencia de calor. La generación de mallas es un proceso crítico en el campo de la Dinámica de Fluidos Computacional no sólo porque la calidad de las mismas afectará a la solución final, sino porque su propia generación supone un reto que afecta a todo el ciclo de análisis. La discretización debe permitir capturar de manera adecuada los complejos gradientes que se producen en determinadas zonas, bien por la propia geometría de las mismas o bien por la naturaleza física del flujo ahí presente. Por tanto, la malla será suficientemente fina y suave en estas zonas mientras que será más basta en aquellas otras zonas en las que una discretización excesiva no aporta una mejor solución. En simulaciones de flujos viscosos para altos números de Reynolds, disponer de una malla de buena calidad que permita capturar los gradientes de capa límite en dirección normal a la pared es un punto clave. Para ello, se debe generar una malla con suficiente resolución cerca de estas paredes ya que se debe tener en cuenta que, aunque este tipo de zonas sólo suponen una pequeña fracción sobre el total del dominio computacional, de su correcta resolu ción dependerá la calidad de las simulaciones aerodinámicas llevadas a cabo. Sin embargo, la generación de una malla que resulte adecuada para las necesidades expuestas no es una tarea sencilla: la complejidad de los detalles geométricos presentes en la mayoría de los modelos, tales como esquinas cóncavas/convexas, micro-superficies, etc., pueden provocar no sólo fallos en la propia generación de la malla, sino que pueden conducir al empleo de enormes tiempos, y por tanto de sus costes laborales asociados, destinados a este preproceso. Por tanto, en el entorno industrial, se puede afirmar que la generación de mallas para simulaciones de flujos viscosos aún constituye un importante desafío. El presente trabajo presenta un nuevo, robusto y eficiente método para la generación de mallas viscosas de forma que puedan ser empleadas para el análisis de CFD de complejas configuraciones tridimensionales. Conceptualmente el método aquí propuesto se englobaría dentro de las estrategias conocidas como de mallado híbrido. En primer lugar, el método desarrolla un robusto criterio para la correcta validación de la malla generada en problemas complejos, para, a continuación implementar una nuevo esquema de validación de la geometría que permite reducir significativamente el número de nodos a chequear durante los sucesivos procesos de inserción que se producen en todo algoritmo de generación de mallas. La principal contribución, por tanto, del método aquí propuesto es la de reducir sustancialmente el tiempo requuerido para la generación de mallas respecto a los códigos comerciales y libres disponibles hastra la fecha, ofreciendo, al mismo tiempo, unos niveles de robustez iguales o superiores a los mismos. La precisión de la predicción de la temperatura es de suma importancia para el análisis de turbinas. Como tiene un impacto directo para asegurar la seguridad de la turbina y lograr una operación razonable de larga duración, mientras tanto, aumentar la eficiencia de la turbina evitando el uso de aire de refrigeración excesivo descargado de las etapas del compresor. Tradicionalmente, los análisis de CFD y de conducción térmica sólida se han realizado por separado en diferentes etapas del ciclo de diseño. Varias hipótesis están implícitas en este proceso y la exactitud de este tipo de métodos se basa inevitablemente en la base de datos empírica y el juicio de ingeniería. Por lo tanto, en casos de flujo altamente complejos tales como flujos de cavidades de turbina o problemas de enfriamiento interno, los métodos tradicionales pueden conducir a errores con siderables en la estimación del campo de temperatura. Los métodos de transferencia de calor fluido-sólido acoplados, en los que los problemas de transferencia de calor fluido y sólido se resuelven simultáneamente sin el uso de otras hipótesis, se garantiza una mayor precisión debido a que el flujo de calor y la continuidad de temperatura a través de la interfaz fluido-metal se garantizan por construcción. Debido a su relevancia, los algoritmos de transferencia de calor acoplados han recibido considerable atención desde diferentes perspectivas de ingeniería en las últimas décadas. Sin embargo, la principal desventaja de los métodos de transferencia de calor acoplados son los tiempos de cálculo relativamente grandes comparados con el de una simulación de CFD independiente desacoplada. Por lo tanto, es difícil de aplicar en aplicaciones prácticas de ingeniería. Esta tesis también propone un nuevo, rápido y robusto método de transferencia de fluido-sólido de acoplamiento suave basado en la mejora de un enfoque de acoplamiento de Dirichlet-Robin para aumentar la precisión del campo de temperatura. Este método ha sido validado y aplicado a casos representativos de turbomáquinas. Los flujos giratorios pueden ser satisfechos en los motores aero debido a la rotación del sistema. Los flujos rotatorios bajo Coriolis y las fuerzas centrífugas que afectan los patrones de flujo drásticamente en comparación con los casos estacionarios. Es difícil llevar a cabo un diseño real sin una buena comprensión de la física de flujo rotatorio. Por último, este trabajo proporciona la comprensión del efecto de rotación en los canales de refrigeración internos de la pala de rotor de la turbina. También se ha estudiado el comportamiento de flujo y transferencia de calor de un canal giratorio representativo del motor. ----------ABSTRACT---------- With the rapid growth of computer power, numerical methods are available and showing their advantages in identifying the complex underlying physics of flows. However, they have encountered a number of challenges in internal cooling problems of gas turbine rotor blade due to the complexity of some characteristics of rotating passages, such as geometries, flow conditions and heat transfer behaviours under rotations. This thesis focuses on the challenges in the numerical grid generation, coupling fluid/solid heat transfer method and understanding the rotational effect on flow and heat transfers. Mesh generation is a critical process in Computational Fluid Dynamics (CFD) since mesh quality can not only have a direct impact on the final solution, but become a bottleneck of the whole analysis process. Grid spacing should be smoothly and sufficiently refined in certain regions to properly resolve steep solution gradients, whereas it should be coarser in other regions not compromised by mesh resolution considerations. A key element to achieve good quality meshes in viscous flow simulations at high Reynolds numbers is a high enough mesh resolution near solid walls to properly capture boundary layer gradients in the wall-normal direction. These regions account only for a small fraction of the computational domain but are directly linked with the quality of aerodynamic simulations. However, significant difficulties arise in the presence of complex geometric features such as multiple concave/convex corners, micro-surfaces, etc., which may result in mesh generation failure, or considerable elapsed time of the mesh generation process with the subsequent associated labour cost. Therefore, in an industrial environment, the generation of viscous mesh still remains a challenging task. The present work proposed a robust and efficient viscous mesh generation method to construct the computational grid in a hybrid manner in order to mesh the complex 3D configurations efficiently for CFD analysis. The method first focuses on providing a robust criteria for the validity checking procedure for complex problems, and then improves the efficiency by implementing a pre-processing scheme to reduce the number of nodes that require to be checked. Therefore, the methods substantially reduces the generation time. The presented algorithm is proved to be much more efficient than common commercial or open source codes with equal or higher robustness. The accuracy of temperature prediction is of paramount importance for turbine analysis, since an accurate prediction can prevent local hot spots and increase turbine blade life, avoiding at the same time the use of excessive cooling air and therefore allowing higher turbine inlet temperature. Traditionally, CFD and solid thermal conduction analyses have been performed separately at different stages of the design loop. Several hypotheses are implicit in this process and the accuracy of this kind of methods inevitably relies on empirical database and engineering judgement. Therefore, in highly complex cases, traditional methods may lead to considerable errors in the estimate of the temperature field, and to severe logistic problems to handle the exchange of information among different codes. Greater accuracy is offered by coupled fluid-solid heat transfer methods, in which fluid and solid heat transfer problems are solved simultaneously without the use of further hypotheses, since the heat flux and temperature continuity across fluid-metal interface is ensured by construction. Because of their relevance, coupled heat transfer algorithms have received considerable attention from different engineering perspectives in the last decades. However, the main disadvantage of coupled heat transfer methods is the relatively large computing times compared to that of an uncoupled stand-alone CFD simulation. Therefore, it is difficult to apply in practical engineering applications. This thesis proposes a fast and robust steady state loosely coupled fluid-solid heat transfer method based on the improvement of a loosely Dirichlet-Robin coupling approach to reduce the computational time cost. This method has been validated and applied with representative turbomachinery cases. The results have shown that the computational time has been substantially reduced compared to the baseline method, and it only spends around 35% more than a steady state CFD simulation, which is attractive for industrial applications Rotating flows can be met in aero-engines due to system rotation. The rotating flows under Coriolis and centrifugal forces affect the flow patterns drastically compared to stationary cases. It is difficult to carriy out real design without a deep understanding of the physics of rotating flows. The last part of this work provides the understanding of the rotational effect in the internal cooling channels of turbine rotor blade. The flow and heat transfer behaviour of an engine representative rotating channel has also been investigated and presented as an example of the numerical method in real applications