Endwall film cooling is a necessity in modern gas turbines for safe and reliable operation. Performance of endwall film cooling is strongly influenced by the hot gas flow field, among other factors. For example, aerodynamic design determines secondary flow vortices such as passage vortices and corner vortices in the endwall region. Moreover blockage presented by the leading edge of the airfoil subjects the incoming flow to a stagnating pressure gradient leading to roll-up of the approaching boundary layer and horseshoe vortices. In addition, for a number of heavy frame power generation gas turbines that use cannular combustors, the hot and turbulent gases exiting from the combustor are delivered to the first stage vane through transition ducts. Wakes induced by walls separating adjacent transition ducts located upstream of first row vanes also influence the entering main gas flow field. Furthermore, as hot gas enters vane passages, it accelerates around the vane airfoils. This flow acceleration causes significant streamline curvature and impacts lateral spreading endwall coolant films. Thus endwall flow field, especially those in utility gas turbines with cannular combustors, is quite complicated in the presence of vortices, wakes and strong favorable pressure gradient with resulting flow acceleration. These flow features can seriously impact film cooling performance and make difficult the prediction of film cooling in endwall. This study investigates endwall film cooling under the influence of pressure gradient effects due to stagnation region of an axisymmetric airfoil and in mainstream favorable pressure gradient. It also investigates the impact of wake on endwall film cooling near the stagnation region of an airfoil. The investigation consists of experimental testing and numerical simulation. Endwall film cooling effectiveness is investigated near the stagnation region on an airfoil by placing an axisymmetric airfoil downstream of a single row of inclined cylindrical holes. The holes are inclined at 35° with a length-to-diameter ratio of 7.5 and pitch-to-diameter ratio of 3. The ratio of leading edge radius to hole diameter and the ratio of maximum airfoil thickness to hole diameter are 6 and 20 respectively. The distance of the leading edge of the airfoil is varied along the streamwise direction to simulate the different film cooling rows preceding the leading edge of the airfoil. Wake effects are induced by placing a rectangular plate upstream of the injection point where the ratio of plate thickness to hole diameter is 6.4, and its distance is also varied to investigate the impact of strong and mild wake on endwall film cooling effectiveness. Blowing ratio ranged from 0.5 to 1.5. Film cooling effectiveness is also investigated under the presence of mainstream pressure gradient with converging main flow streamlines. The streamwise pressure distribution is attained by placing side inserts into the mainstream. The results are presented for five holes of staggered inclined cylindrical holes. The inclination angle is 30° and the tests were conducted at two Reynolds number, 5000 and 8000. Numerical analysis is employed to aid the understanding of the mainstream and coolant flow interaction. The solution of the computational domain is performed using FLUENT software package from Fluent, Inc. The use of second order schemes were used in this study to provide the highest accuracy available. This study employed the Realizable º-µ model with enhance wall treatment for all its cases. Endwall temperature distribution is measured using Temperature Sensitive Paint (TSP) technique and film cooling effectiveness is calculated from the measurements and compared against numerical predictions. Results show that the characteristics of average film effectiveness near the stagnation region do not change drastically. However, as the blowing ratio is increased jet to jet interaction is enhanced due to higher jet spreading resulting in higher jet coverage. In the presence of wake, mixing of the jet with the mainstream is enhanced particularly for low M. The velocity deficit created by the wake forms a pair of vortices offset from the wake centerline. These vortices lift the jet off the wall promoting the interaction of the jet with the mainstream resulting in a lower effectiveness. The jet interaction with the mainstream causes the jet to lose its cooling capabilities more rapidly which leads to a more sudden decay in film effectiveness. When film is discharged into accelerating main flow with converging streamlines, row-to-row coolant flow rate is not uniform leading to varying blowing ratios and cooling performance. Jet to jet interaction is reduced and jet lift off is observed for rows with high blowing ratio resulting in lower effectiveness.

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.