Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies
An analysis of modern numerical methods for film cooling simulation on a flat surface, considering current CFD (Computational Fluid Dynamics) trends during 2019–2025, is presented in the paper. More than 25 recent studies devoted to 3D CFD simulations of film cooling effectiveness for various hole g...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | English Ukrainian |
| Published: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2026
|
| Online Access: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/350903 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Journal of Mechanical Engineering |
Institution
Journal of Mechanical Engineering| _version_ | 1856543375934619648 |
|---|---|
| author | Шевчук, О. В. |
| author_facet | Шевчук, О. В. |
| author_sort | Шевчук, О. В. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-01-28T09:40:24Z |
| description | An analysis of modern numerical methods for film cooling simulation on a flat surface, considering current CFD (Computational Fluid Dynamics) trends during 2019–2025, is presented in the paper. More than 25 recent studies devoted to 3D CFD simulations of film cooling effectiveness for various hole geometries – cylindrical, shaped, unsteady, and combined ones – are reviewed. The comparison of turbulence models, grid parameters, and validation methods against experimental data is provided. It is shown that even a small deviation in cooling effectiveness (± 0.02) can lead to temperature prediction errors exceeding 20 °C under real engine conditions. The study demonstrates that reverse-injection film cooling holes significantly increase effectiveness at high blowing ratios m, while forward-injection configurations perform better at low m. For shaped holes, the influence of the compound blowing angle β is found to be non-negligible and should be considered in engineering calculations. The importance of accounting for the ratio of specific heat capacities between coolant and mainstream gas during the scaling of laboratory data to engine conditions is emphasized. A comparative analysis of existing 1D correlations shows that the Baldauf formulas generally overpredict the effectiveness of cylindrical holes, while the Colban correlations underestimate that of shaped holes. This highlights the need for updated generalized dependencies that integrate modern CFD results and thermophysical parameters. Scientific novelty lies in the systematic review of modern CFD studies on film cooling, the identification of the influence of hole direction and blowing ratio m on cooling effectiveness, and the proposed inclusion of specific heat effects in scaling procedures. |
| first_indexed | 2026-02-08T08:02:14Z |
| format | Article |
| id | journalsuranuajme-article-350903 |
| institution | Journal of Mechanical Engineering |
| language | English Ukrainian |
| last_indexed | 2026-02-08T08:02:14Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| record_format | ojs |
| spelling | journalsuranuajme-article-3509032026-01-28T09:40:24Z Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies Аналіз сучасних чисельних підходів до моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні: тенденції, похибки та кореляційні залежності Аналіз сучасних чисельних підходів до моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні: тенденції, похибки та кореляційні залежності Шевчук, О. В. An analysis of modern numerical methods for film cooling simulation on a flat surface, considering current CFD (Computational Fluid Dynamics) trends during 2019–2025, is presented in the paper. More than 25 recent studies devoted to 3D CFD simulations of film cooling effectiveness for various hole geometries – cylindrical, shaped, unsteady, and combined ones – are reviewed. The comparison of turbulence models, grid parameters, and validation methods against experimental data is provided. It is shown that even a small deviation in cooling effectiveness (± 0.02) can lead to temperature prediction errors exceeding 20 °C under real engine conditions. The study demonstrates that reverse-injection film cooling holes significantly increase effectiveness at high blowing ratios m, while forward-injection configurations perform better at low m. For shaped holes, the influence of the compound blowing angle β is found to be non-negligible and should be considered in engineering calculations. The importance of accounting for the ratio of specific heat capacities between coolant and mainstream gas during the scaling of laboratory data to engine conditions is emphasized. A comparative analysis of existing 1D correlations shows that the Baldauf formulas generally overpredict the effectiveness of cylindrical holes, while the Colban correlations underestimate that of shaped holes. This highlights the need for updated generalized dependencies that integrate modern CFD results and thermophysical parameters. Scientific novelty lies in the systematic review of modern CFD studies on film cooling, the identification of the influence of hole direction and blowing ratio m on cooling effectiveness, and the proposed inclusion of specific heat effects in scaling procedures. У статті проведено аналіз сучасних чисельних методів моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні з урахуванням тенденцій розвитку CFD-технологій у 2019–2025 рр. Розглянуто понад 25 публікацій, присвячених тривимірним (3D CFD) розрахункам ефективності плівкового охолодження для різних типів отворів — циліндричних, фасонних, нестаціонарних та комбінованих. Наведено порівняння застосовуваних моделей турбулентності, параметрів сітки та методів валідації з експериментальними даними. Показано, що навіть незначна похибка у визначенні ефективності охолодження (± 0,02) може спричинити відхилення понад 20 °С у прогнозі температури плівки при реальних умовах двигуна. Встановлено, що зворотне виконання отворів плівкового охолодження забезпечує суттєве підвищення ефективності при великих параметрах вдуву m, тоді як пряме виконання є переважним для малих m. Для фасонних отворів вплив складного кута вдуву β не є незначним і повинен враховуватися в інженерних розрахунках. Виявлено необхідність урахування відношення питомих теплоємностей газу та охолоджувача при масштабуванні результатів з лабораторних до двигунних умов. Здійснено порівняльний аналіз відомих 1D-кореляцій: показано, що формули Baldauf переважно завищують ефективність охолодження циліндричних отворів, а залежності Colban — занижують для фасонних. Це вказує на потребу розробки оновлених узагальнених залежностей, що враховують сучасні CFD-дані та параметри теплоємності. Наукова новизна роботи полягає у систематизації сучасних CFD-досліджень плівкового охолодження, встановленні впливу напрямку отворів і параметра m на ефективність охолодження, а також у пропозиції врахування теплофізичних властивостей середовищ при масштабуванні результатів. У статті проведено аналіз сучасних чисельних методів моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні з урахуванням тенденцій розвитку CFD-технологій у 2019–2025 рр. Розглянуто понад 25 публікацій, присвячених тривимірним (3D CFD) розрахункам ефективності плівкового охолодження для різних типів отворів — циліндричних, фасонних, нестаціонарних та комбінованих. Наведено порівняння застосовуваних моделей турбулентності, параметрів сітки та методів валідації з експериментальними даними. Показано, що навіть незначна похибка у визначенні ефективності охолодження (± 0,02) може спричинити відхилення понад 20 °С у прогнозі температури плівки при реальних умовах двигуна. Встановлено, що зворотне виконання отворів плівкового охолодження забезпечує суттєве підвищення ефективності при великих параметрах вдуву m, тоді як пряме виконання є переважним для малих m. Для фасонних отворів вплив складного кута вдуву β не є незначним і повинен враховуватися в інженерних розрахунках. Виявлено необхідність урахування відношення питомих теплоємностей газу та охолоджувача при масштабуванні результатів з лабораторних до двигунних умов. Здійснено порівняльний аналіз відомих 1D-кореляцій: показано, що формули Baldauf переважно завищують ефективність охолодження циліндричних отворів, а залежності Colban — занижують для фасонних. Це вказує на потребу розробки оновлених узагальнених залежностей, що враховують сучасні CFD-дані та параметри теплоємності. Наукова новизна роботи полягає у систематизації сучасних CFD-досліджень плівкового охолодження, встановленні впливу напрямку отворів і параметра m на ефективність охолодження, а також у пропозиції врахування теплофізичних властивостей середовищ при масштабуванні результатів. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2026-01-28 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/350903 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 28 No. 4 (2025); 11-25 Проблемы машиностроения; Том 28 № 4 (2025); 11-25 Проблеми машинобудування; Том 28 № 4 (2025); 11-25 2709-2992 2709-2984 en uk https://journals.uran.ua/jme/article/view/350903/337917 https://journals.uran.ua/jme/article/view/350903/337918 Copyright (c) 2026 О. В. Шевчук http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |
| spellingShingle | Шевчук, О. В. Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies |
| title | Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies |
| title_alt | Аналіз сучасних чисельних підходів до моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні: тенденції, похибки та кореляційні залежності Аналіз сучасних чисельних підходів до моделювання плівкового охолодження на плоскій поверхні: тенденції, похибки та кореляційні залежності |
| title_full | Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies |
| title_fullStr | Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies |
| title_full_unstemmed | Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies |
| title_short | Analysis of Modern Numerical Approaches to Film Cooling Simulation on a Flat Surface: Trends, Errors and Correlation Dependencies |
| title_sort | analysis of modern numerical approaches to film cooling simulation on a flat surface: trends, errors and correlation dependencies |
| url | https://journals.uran.ua/jme/article/view/350903 |
| work_keys_str_mv | AT ševčukov analysisofmodernnumericalapproachestofilmcoolingsimulationonaflatsurfacetrendserrorsandcorrelationdependencies AT ševčukov analízsučasnihčiselʹnihpídhodívdomodelûvannâplívkovogooholodžennânaploskíjpoverhnítendencíípohibkitakorelâcíjnízaležností |