Experimental study on film cooling effectiveness and heat transfer coefficient distributions using thermochromic liquid crystals (TLC)

The present work addresses the topic of film cooling, a well known and pivotal issue in the field of turbomachinery. The aim of the experimental activity carried out in Siemens Industrial Turbomachinery Fluid Dynamics Laboratory (Finspång, Sweden) is to investigate convective heat transfer on an additive manufactured surface, in film cooling conditions. This effort is motivated by the desire to design effective cooling systems that use a minimum amount of coolant. Hence, a vast heat transfer coefficient database and a thorough knowledge of the transport phenomena are required. Traditionally, point-wise measurement techniques exploiting thermocouples are used for this purpose. In this study, thermocouples will be replaced by thermochromic liquid crystals (TLC), able to provide a 2D field temperature measurement. This experimental data will be then used to solve a coupled three temperature problem, whose key variables are the heat transfer coefficient and the film cooling effectiveness. The calibration of the TLC accounts for a crucial phase of the project, and is bound to heavily affect the results.

Il presente lavoro affronta un tema chiave nell'ambito turbomacchinistico, il film cooling. L'obiettivo primario dell' attività sperimentale condotta nel Fluid Dynamics Laboratory di Siemens Industrial Turbomachinery (Finspång, Svezia) è lo studio dello scambio di calore convettivo in una condizione di film cooling, su di una superficie stampata con tecniche di additive manufacturing. Lo sforzo compiuto in tal senso é motivato dalla necessità di avere sistemi di raffreddamento sempre più efficienti, in grado di minimizzare la quantità di aria usata per il raffreddamento. A tal scopo è perciò necessario disporre di un database completo dei coefficienti di scambio termico convettivo e di una conoscenza dettagliata dei fenomeni di trasporto. Storicamente, per applicazioni simili, ci si è affidati a misure di temperatura puntuali, ottenute da termocoppie. In questo progetto si è scelto di utilizzare i cristalli liquidi termocromici, in grado di fornire una distribuzione di temperatura continua e bidimensionale. I dati così ottenuti verranno sfruttati per risolvere, in maniera iterativa, un problema a tre temperature, in cui le variabili principali, il coefficiente di scambio termico convettivo e l'efficienza di raffreddamento, sono accoppiate. L'approccio adottato si basa su un'attenta calibrazione dei cristalli, la cui accuratezza influisce pesantemente sui risultati ottenuti.