Розробка валідованої моделі обчислювальної гідродинаміки для розрахунку ефективності плівкового охолодження

Автор(и)

  • Олег Володимирович Шевчук Акціонерне Товариство Івченко-Прогрес, Україна https://orcid.org/0000-0003-1837-6287
  • Олександр Іванович Тарасов Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-5952-3258

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.356502

Ключові слова:

плівкове охолодження, ефективність охолодження, плоска пластина, чисельне моделювання, модель турбулентності

Анотація

Об’єктом дослідження є процес плівкового охолодження на плоскій пластині. Основною проблемою, яка розглядалась, був пошук найбільш універсальної CFD моделі для різних форм отворів плівкового охолодження. Проблема вирішувалась шляхом вибору оптимальної розрахункової сітки та визначення найбільш підходящих турбулентних моделей для прогнозування ефективності плівкового охолодження в широкому діапазоні параметрів. Для дослідження впливу сіткової збіжності було побудовано 4 рівня поліедральної (багатогранної) розрахункової сітки. Показано, що обрана сітка розміром 5.8 млн елементів практично не поступається блочній структурованій сітці з ідентичними налаштуваннями. Отримано валідовану CFD модель, що базується на поліедральній сітці. Особливістю результатів є те, що CFD модель охоплює чотири форми отворів, які розташовані з кроком 5D під кутом 30° до основного потоку (класичний циліндричний, віяловий, овальний та дифузна щілина). Представлені результати порівняння семи RANS‑моделей турбулентності з експериментальними даними. Виявлено, що при розглянутих режимних і геометричних параметрах найбільш універсальною за багатьма критеріями є модель турбулентності k‑ε Realizable. Її перевага може пояснюватися підвищеною стійкістю та кращій чутливості до зон складної кінематики потоку, що забезпечує більш точне відтворення розширюваних (віялових та дифузорних) отворів. Додатково працездатність моделі була перевірена при розрахунку отвору 7-7-7. Для цього типу отвору представлений попередній аналіз впливу конфігурацій теплозахисного покриття на ефективність плівки. Запропонована розрахункова модель може бути використана для оптимізації геометрії отворів і режимів вдуву в задачах охолодження лопаток газотурбінних двигунів

Біографії авторів

Олег Володимирович Шевчук, Акціонерне Товариство Івченко-Прогрес

Аспірант, провідний інженер

Відділ турбін

Олександр Іванович Тарасов, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра турбінобудування

Посилання

  1. Jauregui, R., Silv, F. (2011). Numerical Validation Methods. Numerical Analysis - Theory and Application. https://doi.org/10.5772/23304
  2. Shevchuk, O., Tarasov, O. (2025). Review of the Current State of Problem of Film Cooling for Gas Turbine Blades. NTU “KhPI” Bulletin: Power and Heat Engineering Processes and Equipment, 1, 29–44. https://doi.org/10.20998/2078-774x.2025.01.03
  3. Bunker, R. S. (2010). Film Cooling: Breaking the Limits of Diffusion Shaped Holes. Heat Transfer Research, 41 (6), 627–650. https://doi.org/10.1615/heattransres.v41.i6.40
  4. Shevchuk, O. V. (2025). Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies. Journal of Mechanical Engineering, 28 (4), 11–25. https://doi.org/10.15407/pmach2025.04.011
  5. Chen, X., Li, J., Long, Y., Wang, Y., Weng, S., Yavuzkurt, S. (2020). A Conjugate Heat Transfer and Thermal Stress Analysis of Film-Cooled Superalloy With Thermal Barrier Coating. Volume 7B: Heat Transfer. https://doi.org/10.1115/gt2020-16241
  6. Zamiri, A., You, S. J., Chung, J. T. (2020). Numerical Evaluation of Surface Roughness Effects on Film-Cooling Performance in a Laidback Fan-Shaped Hole. Volume 7B: Heat Transfer. https://doi.org/10.1115/gt2020-14525
  7. Barigozzi, G., Zamiri, A., Brumana, G., Franchina, N., Chung, J. T. (2025). On the impact of Reynolds number on the performance of a trenched shaped hole. 16th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics. https://doi.org/10.29008/etc2025-107
  8. Petelchic, V. Yu., Halatov, A. A., Pismenniy, D. N., Dashevskiy, Yu. Ya. (2013). Adaptation of SST turbulence model for a flat plate film cooling simulation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (63)), 25–29. Available at: https://journals.uran.ua/eejet/article/view/14874/
  9. Fischer, L., James, D., Jeyaseelan, S., Pfitzner, M. (2023). Optimizing the trench shaped film cooling design. International Journal of Heat and Mass Transfer, 214, 124399. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124399
  10. Liu, C.-L., Zhu, H.-R., Bai, J.-T. (2008). Effect of turbulent Prandtl number on the computation of film-cooling effectiveness. International Journal of Heat and Mass Transfer, 51 (25-26), 6208–6218. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.04.039
  11. Shih, T.-H., Liou, W. W., Shabbir, A., Yang, Z., Zhu, J. (1995). A new k-ϵ eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows. Computers & Fluids, 24(3), 227–238. https://doi.org/10.1016/0045-7930(94)00032-t
  12. Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32 (8), 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
  13. Diskin, B., Thomas, J. (2012). Effects of mesh regularity on accuracy of finite-volume schemes. 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. https://doi.org/10.2514/6.2012-609
  14. Furgeson, M. T., Flachs, E. M., Bogard, D. G. (2025). Adjoint Optimization of Gas Turbine Film Cooling Geometry With Elevated Mainstream Mach Number. Volume 5: Energy Storage; Fans and Blowers; Heat Transfer: Combustors; Heat Transfer: Film Cooling. https://doi.org/10.1115/gt2025-154287
  15. Avcun, S., Erdem, E., Sal, S., Yasa, T. (2025). The Effect of Crossflow Velocity on the Film Cooling Effectiveness of Fan Shaped Holes. Volume 5: Energy Storage; Fans and Blowers; Heat Transfer: Combustors; Heat Transfer: Film Cooling. https://doi.org/10.1115/gt2025-154073
  16. Watanabe, K., Matsuura, M., Suenaga, K., Takeishi, K. I. (1999). An experimental study on the film cooling effectiveness with expanded hole geometry. Proceedings of the international gas turbine congress. Kobe, 615–622.
  17. Celik, I., Ghia, U., Roache, P., Freitas, C., Coleman, H., Raad, P. (2008) Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130 (7), 078001. https://doi.org/10.1115/1.2960953
  18. Pedersen, D. R., Eckert, E. R. G., Goldstein, R. J. (1977). Film Cooling With Large Density Differences Between the Mainstream and the Secondary Fluid Measured by the Heat-Mass Transfer Analogy. Journal of Heat Transfer, 99 (4), 620–627. https://doi.org/10.1115/1.3450752
  19. Na, S., Shih, T. I.-P. (2006). Increasing Adiabatic Film-Cooling Effectiveness by Using an Upstream Ramp. Journal of Heat Transfer, 129 (4), 464–471. https://doi.org/10.1115/1.2709965
  20. Hussain, S., Yan, X. (2020). Implementation of Hole-Pair in Ramp to Improve Film Cooling Effectiveness on a Plain Surface. Volume 7B: Heat Transfer. https://doi.org/10.1115/gt2020-14838
  21. Rutledge, J. L., Polanka, M. D. (2014). Computational Fluid Dynamics Evaluations of Unconventional Film Cooling Scaling Parameters on a Simulated Turbine Blade Leading Edge. Journal of Turbomachinery, 136 (10). https://doi.org/10.1115/1.4028001
Розробка валідованої моделі обчислювальної гідродинаміки для розрахунку ефективності плівкового охолодження

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-04-30

Як цитувати

Шевчук, О. В., & Тарасов, О. І. (2026). Розробка валідованої моделі обчислювальної гідродинаміки для розрахунку ефективності плівкового охолодження. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(1 (140), 78–90. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.356502

Номер

Том 2 № 1 (140) (2026): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Oleg Shevchuk, Oleksandr Tarasov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.