Additive manufacturing (AM) has largely improved design freedom compared with traditional manufacturing processes such as casting and milling. The layer-by-layer workflow makes it possible to produce objects with much more complex shapes and structures. This feature is of particular interest for turbine blade manufacturing since internal cooling channels with higher thermal efficiency can be achieved toimprove the overall efficiency of a gas turbine. One feature of AM, especially for Laser Power Bed Fusion (LPBF) working on metal powders, is the relatively large surface roughness (SR), which will affect both heat transfer and pressure loss. Its geometry is also unique with the very randomly distributed spherical-shaped structures. This randomness makes the correlations for heat transfer and pressure loss based on sand grain roughness not applicable anymore. More in-depth research is needed to investigate the roughness effects. In this study, the AM roughness is modelled by a statistical distribution of spheres with different diameters using an upscale ratio of 77.4. An infrared (IR) camera was used to record the temperature distribution on the rough plates subjected to heated airflow. Three Re in the turbulent region (15000, 20000, 25000) were tested and the data from the IR camera were used to calculate the heat transfer coefficient (HTC) on the rough plate through a 3D finite element calibration solver. The results of averaged HTC agree well with data of the real Inconel 939 AM channel from which the upscaled rough plates are modelled. Also, the general patterns of HTC distributions matched the fluid dynamics analysis. Moreover, the results of arranging smooth and rough plates together shows that the heat transfer enhancement from SR is due to both the induced turbulent flows and the increased surface area. / Additiv tillverkning har i hög grad förbättrat designfriheten jämfört med traditionella tillverkningsprocesser som gjutning och fräsning. Att bygga lager för lager gör det möjligt att tillverka föremål med mycket mer komplexa former och strukturer. Denna egenskap är av särskilt intresse för tillverkning av turbinblad eftersom bättre interna kylkanaler kan uppnås för att förbättra den totala verkningsgraden hos en gasturbin. En egenskap hos additiv tillverkning är den relativt stora ytojämnheten, som påverkar både värmeöverföring och tryckförlust. Dess geometri är också unik med mycket slumpmässigt fördelade sfäriskt formade strukturerna. Denna slumpmässighet gör att de korrelationer för värmeöverföring och tryckförlust som baseras på sandkornens grovlek inte längre är tillämpliga. Mer djupgående forskning behövs för att undersöka grovhetseffekterna. I den här studien modelleras den additiva tillverkningens grovhet med en statistisk fördelning av sfärer med olika diametrar med ett uppskalningsförhållande på 77,4. En infraröd (IR) kamera användes för att registrera temperaturfördelningen på de skrovliga plattorna som utsattes för ett uppvärmt luftflöde. Tre Re i det turbulenta området (15000, 20000, 25000) testades och data från IR-kameran användes för att beräkna värmeöverföringskoefficientenpå den grova plattan genom en 3D finita elementkalibreringslösare. Resultaten av den genomsnittliga värmeöverföringskoefficienten stämmer väl överens med data från den verkliga additivt tillverkade Inconel 939-kanalen från vilken de uppskaladeg rova plattorna är modellerade. Även de allmänna mönstren för fördelningen av värmeöverföringskoefficienter stämmer överens med den fluiddynamiska analysen. Dessutom visar resultaten av att arrangera släta och grova plattor tillsammans att värmeöverföringsförbättringen från ytjämnhet beror på både de inducerade turbulenta flödena och den ökade ytarean.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-340515 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Wen, Kaibin |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2023:580 |
Page generated in 0.0312 seconds