Experimental analysis of the thermal and hydraulic performance in straight and complex additively manufactured mini-channels

Additive manufacturing (AM) of super-alloys allows the production of gas turbine components with small and elaborate cooling channels, unachievable with other traditional industrial technologies. The vast design opportunity offered by the AM progress enables engineers to develop advanced cooling schemes for high-temperature components, improving consequently gas turbine efficiency. However, the selective laser melting (SLM) process introduces surface roughness as the hallmark of AM elements. Such roughness influences the thermal and hydraulic performance of the conduits, increasing both friction and heat transfer. Therefore, this study aims to expand the knowledge of the surface roughness interaction with hydraulic and cooling performance through an experimental investigation of straight and complex AM mini-channels. The results for straight conduits show a performance increase compared to smooth pipes, achieving a new correlation for the average Darcy friction factor in fully turbulent flows for high relative roughness channels. Further analyses are necessary to accurately evaluate the heat transfer mechanism in these geometries. The results for pin fins, Tesla valves, and wavy mini-channels indicate a lower overall efficiency compared to rough straight conduits. Moreover, Tesla valves' unexpected behavior requires additional experiments to understand the influence of roughness on channels with complex geometry.

La manifattura additiva (AM) di superleghe permette la produzione di componenti di turbine a gas con all'interno piccoli ed elaborati canali di raffreddamento, irrealizzabili con altre tradizionali tecnologie industriali. Le ampie possibilità di progettazione offerte dal progresso dell'AM consentono agli ingegneri di sviluppare avanzati schemi di raffreddamento per componenti ad alta temperatura, migliorando conseguentemente l'efficienza della turbina. Tuttavia, il processo di fusione laser selettiva (SLM) introduce la rugosità superficiale come segno caratteristico degli elementi in AM. Tale rugosità influenza le prestazioni termiche ed idrauliche dei condotti, aumentando sia l'attrito che il trasferimento di calore. Pertanto, questo studio mira ad ampliare la conoscenza dell'interazione della rugosità superficiale con le prestazioni idrauliche e di raffreddamento attraverso un'indagine sperimentale di piccoli canali rettilinei e complessi in AM. I risultati per i condotti dritti mostrano un aumento delle prestazioni rispetto a condutture lisce, ottenendo una nuova correlazione per il fattore di attrito di Darcy medio di un flusso turbolento per canali con rugosità relativa elevata. Ulteriori analisi sono necessarie per valutare accuratamente il meccanismo di trasferimento del calore in queste geometrie. I risultati per pin fins, valvole di Tesla e mini-canali ondulati indicano un'efficienza complessiva inferiore rispetto ai condotti rettilinei scabri. Inoltre, il comportamento inaspettato delle valvole di Tesla richiede ulteriori esperimenti per capire l'influenza della rugosità su canali a geometria complessa.