本文介绍了一种实验方法，用于分离旋转通道全场传热分布中相互耦合的科里奥利力与旋转浮力效应。
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本文内容
摘要
摘要
提出了一种用于研究轴向旋转通道传热特性的实验方法。通过在旋转参考系下对动量和能量方程进行参数化分析，确定了表征旋转通道内输运现象的主导流动参数。基于这些无量纲流动方程，制定了一套实验策略，将试验模块设计、实验方案与数据分析相联系，旨在揭示科里奥利力和浮升力对传热性能的独立影响。通过测量多种几何构型旋转通道的典型结果，展示了科里奥利力和旋转浮升力的作用效果。尽管科里奥利力与旋转浮升力在不同旋转通道中具有一些共性特征，但传热特性的独特表现仍与流动方向、通道形状以及传热强化装置的布置密切相关。无论旋转通道的流动构型如何，所提出的实验方法均能够建立物理上一致的传热关联式，从而可用于评估科里奥利力与旋转浮升力对旋转通道传热性能的独立作用及耦合影响。
引言
尽管热力学定律表明，通过提高涡轮进口温度可提升燃气轮机的比功率和热效率，但包括涡轮叶片在内的多个高温部件容易遭受热损伤。对燃气轮机转子叶片进行内部冷却，可使涡轮进口温度超过叶片材料抗蠕变性能的温度极限。然而，内部冷却通道的结构必须符合叶片的外形轮廓。特别是冷却介质在转子叶片内部旋转流动。在燃气轮机转子叶片运行过程中如此严苛的热环境下，有效的叶片冷却方案对于确保结构完整性至关重要。因此，旋转通道内的局部传热特性对于高效利用有限的冷却剂流量具有重要意义。当开发一种实验方法用于测量燃气轮机转子叶片内模拟冷却通道的传热特性时，获取适用于真实发动机工况下内部冷却通道设计的有效传热数据成为首要任务。
转速超过 10,000 rpm 时，燃气涡轮转子叶片内部旋转通道的冷却性能会显著改变。利用相似性定律，可以确定此类旋转通道的发动机工况。当存在旋转时，通过在旋转参考系下推导流动方程，可揭示控制径向旋转通道内传输现象的无量纲参数群。Morris1 推导出了相对于旋转参考系的流动动量守恒方程，其表达式为：
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方案
注意：旋转试验装置、数据采集、数据处理以及模拟燃气轮机转子叶片内部冷却通道的传热试验模块的详细信息见我们之前的文献29,30,31,32。
1. 热传导测试的准备工作
- 根据燃气轮机转子叶片的目标运行条件，以雷诺数（Re）、旋转数（Ro）和浮升力数（Bu）的形式确定实验条件。
- 利用公式（14）和（15）确定获取目标Re、Ro和Bu所需的转速N、压力P、直径d、半径R以及壁面温度与主流温度之差Tw - Tb。
- 若计算所得的N、P、d、R和Tw - Tb超出实验装置的极限能力，则需重新定义目标Re、Ro和Bu。
- 设计并构建缩....
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结果
在Re、Ro和Bu参数方面，旋转燃气涡轮叶片内部冷却流体的实际运行条件与实验室模拟条件的对比见图1。采用本实验方法所获得的数据点落在真实发动机运行条件范围内，该方法已在相关实验方案11,14,17,20,21中进行了总结。尽管全场传热数据比从旋转通道中测得的点式传热数据更具实用性，但大多数以往的传热实验仍采用热电偶法（图1）。本文所采用的红外热成像方法能够检测旋转表面在浮力诱导流动充分发展条件下的全场传热信息。针对静止或旋转测试通道的自由对流或强制对流外部流动，本实验方案还包括生成用于后期数据处理的热损失关联式（
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讨论
当使用红外热成像系统检测旋转通道端壁温度时，流体温度则通过热电偶进行测量。由于驱动旋转装置的交流电机产生的交变磁场会感应出电势，从而干扰热电偶的测量，因此必须采用直流电机来驱动旋转实验装置。
加热通道出口平面上的流体温度分布并不均匀。建议在旋转通道的出口平面上布置至少五个热电偶，用于测量局部流体出口温度。特别是，在旋转测试过程中，安装在流道内用于测量流体温度的热电偶会受到离心力的作用，其导线容易向高温通道壁弯曲。因此，采用屏蔽式热电偶电缆来测量流体入口温度。在流体出口平面处，可将一个网格上编织有多个热电偶测点的装置夹在试验通道出口法兰之间，以便在旋转测试条件下检测预设位置的流体出口温度。
由于显著的旋转诱导浮力效应会影响旋转通道内的流动与传热特性，因此所选用的全场面传热数据检测方法必须同时包含科里奥利力和浮力效应。采用瞬态液晶法测量全场面传热数据时，由于该方法依赖于通道壁面温度随时间的变化来获取对流传热系数，热边界层尚未充分发展。然而，在燃气涡轮叶片冷却通道中，向心加速度可高达105 ×g，因此本实验方法.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究工作由中国台湾科技部资助，项目编号为 NSC 94-2611-E-022-001、NSC 95-2221-E-022-018、NSC 96-2221-E-022-015MY3 和 NSC 97-2221-E-022-013-MY3。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 旋转测试台架 | 自制 | 本研究团队设计 | |
| 传热测试模块 | 自制 | 本研究团队设计 | |
| 质量流量计 | Eldride Product, Inc. | 3100301-01-01 359-1007 | |
| 红外热成像系统 | NEC P384A-8 | 3100401-04 3127A-4 | |
| 仪器滑环 | Michigan Scientific SR36M | 3100506-62 3553-372 |
参考文献
- Morris, W. D. Heat transfer and fluid flow in rotating coolant channels. , John Wiley and Sons. ISBN 0471101214(1981).
- Morris, W. D. A rotating facility to study heat transfer in the cooling passage of turbine rotor blades. Journal of Power and Energy. 210 (1), 55-63 (1996).
- Wagner, J. H., Johnson, B. V., Graziani, R. A., Yeh, F. C.
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重印与许可
