Name: Abkoppeln Corioliskraft und rotierenden Auftrieb Auswirkungen auf Vollfeld Heat Transfer Eigenschaften eines rotierenden Kanals (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 3 s
Description: Erfahren Sie eine experimentelle Methode zur Entkopplung von Coriolis-Kraft und rotierendem Auftrieb bei Wärmeübertragung in rotierenden Kanälen. Diese Technik liefert Vollfelddaten zur Optimierung von Turbinenrotorschaufeln.

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Die vorliegende Forschungsarbeit wurde finanziell durch das Ministerium für Wissenschaft und Technologie von Taiwan unter Grant NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 und NSC 97-2221-E-022-013-MY3 gesponsert.

Hinweis: Die Details der rotierenden Prüfeinrichtungen, Datenerfassung, Datenverarbeitung und die Hitze Test Transfermodul emuliert eine interne Kühlkanals eine Gasturbine Rotorblatt sind in unserer bisherigen Arbeiten29,30,31 ,32.
1. Vorbereitung des Heat-Transfer-Tests
<ol><li>Die experimentellen Bedingungen in Bezug auf Re, Ro und Bu aus der gezielten Betriebsbedingungen eine Gasturbine Rotorblatt zu formulieren.</li>
	<li>Bestimmen Sie die N, P, d, Rund Tw - T-b für den Erwerb der getesteten Re, Ro und Bu mit Gleichungen (14) und (15) benötigt.</li>
	<li>Neu definieren Sie targeting Re, Ro und Bu , wenn N, P, d, Rund Tw - Tb überschreitet den Grenzwert von den Versuchsanlagen.</li>
	<li>Entwerfen Sie und bauen Sie das skalierte Hitze Test Transfermodul emuliert einen praktischen innerer kühlschmierstoffzufuhr Kanal in ein Gas Turbine Rotor Blade2.</li>
</ol>2. Bestimmung der thermischen Emissionsgrad Koeffizient für die Infrarot-Thermografie-System
<ol><li>Installieren Sie das kalibrierte Thermoelement auf der Rückseite der gescannten Edelstahl-Heizfolie.</li>
	<li>Sprühen Sie eine dünne Schicht von schwarzer Farbe auf den Edelstahl-Heizfolie gescannt von der Infrarot-Kamera.</li>
	<li>Erstellen Sie symmetrische Strömungsfelder auf beiden Seiten des Edelstahl-Heizfolie, indem man eine dünne vertikale Edelstahl-Folie in einem Raum mit der freien konvektive fließt über die beiden Seiten der vertikalen Heizfolie.</li>
	<li>Ernähren Sie elektrische Heizleistung durch die Heizfolie zu und Messen Sie Temperaturen gleichzeitig Thermoelement und Infrarot-Thermografie-System aus dem Computerdisplay im Steady-State.</li>
	<li>Wiederholen Sie Schritt 2.4 mindestens viermal mit erhöhten Heizung Befugnisse. Sicherstellen Sie, dass die Wandtemperaturen entspricht die Heizung Mächte verwendet schrittweise 2.3 und 2.4 festgelegten Schritt 1.2 Tw -Spektrum abdecken.</li>
	<li>Berechnen Sie die Tw-Werte von der Infrarot-Thermografie-System mit einer Reihe von selektiven thermischen Emissionsgrad Koeffizienten für das Programm, das Temperaturdaten die Infrarot-Signale umwandelt gescannt.</li>
	<li>Vergleichen Sie die T-w -Daten gemessen an den kalibrierten Thermoelement und die Infrarot-Thermografie-System an der Position entsprechend dem Thermoelement vor Ort mit den Standardabweichungen ausgewertet.</li>
	<li>Wählen Sie thermische Emissionsgrad Koeffizienten mit der minimalen Standardabweichung durch Schritt 2.7 bestimmt.</li>
	<li>Bestimmen Sie die maximale Präzision-Fehler für die Infrarot-Thermografie-System mit thermischer Emissionsgrad Koeffizienten bestimmt durch Schritt 2,8.</li>
</ol>3. dynamische Balance von rotierenden Rig
<ol><li>Installieren Sie die Hitze Transfermodul Test, Infrarot-Kamera, der umhüllenden Rahmen und Zubehör auf dem rotierenden Prüfstand.</li>
	<li>Einstellen Sie die ausgleichende Prozentwerte allmählich, bis der Betriebszustand des rotierenden Rig die Schwingungs Beschränkung für die Infrarot-Thermografie Messungen erfüllt, die stabile Wärmebild auf dem Computerdisplay auszustellen.</li>
</ol>4. Bewertung der Hitze Verlust Koeffizienten
<ol><li>Füllen Sie den Kühlmittel-Kanal des Moduls Heat Transfer Test mit wärmeisolationsmaterial.</li>
	<li>Installieren Sie das gefüllte Testmodul auf dem rotierenden Prüfstand Testmodul auf die sich drehende Plattform und die Stromversorgung der Heizung und die instrumentale Kabel verbinden.</li>
	<li>Aktivieren Sie das Datenerfassungssystem um das zeitliche zu scannen Tw Variante bei einer Heizleistung bis die Steady-State-Bedingung erfüllt ist. Sicherstellen, dass die zeitliche Tw Variationen bei mehreren aufeinander folgenden Scans sind weniger als +0,3 K bei jeder eingeschwungenen Zustand.</li>
	<li>Notieren Sie die Heizleistung, stationäre Tw Daten und die entsprechenden Umgebungstemperatur T∞.</li>
	<li>Wiederholen Sie Schritte 4.3 und 4.4 mindestens fünfmal mit verschiedenen Heizung Befugnisse auf eine feste Drehgeschwindigkeit.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 4.2-4.4 mit mindestens fünf rotierende Geschwindigkeiten. Stellen Sie sicher, dass der Test die drehende Geschwindigkeit alle N -Werte, die durch Schritt 1.2 bestimmt umfasst.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 4,3-4,6 mit umgekehrter Drehrichtung.</li>
	<li>Die Grundstücke des Wärmestroms Verlust gegen die Wand-ambient Temperatur-Unterschied bei jeder Drehgeschwindigkeit zu konstruieren.</li>
	<li>Korrelieren Sie die Wärme-Verlust-Koeffizienten als die Funktionen des Wand-ambient Temperatur-Unterschied, Geschwindigkeit und Drehrichtung drehen.</li>
	<li>Integrieren Sie die Wärme-Verlust-Korrelation in der Post-Daten-Prozess-Programm Nu Rechnungswesen.</li>
</ol>(5) Heat Transfer Basistests
<ol><li>Führen Wärme Übertragung Tests auf das targeting Reynolds bei Drehzahl NULL rotierenden Zahlen (Ro = N = 0) durch Verfütterung von Kühlmittel fließt und Heizung Befugnisse an die Testmodul. Sicherstellen Sie, dass die mitgelieferten Kühlmittel Massenstrom ständig angepasst wird, um die Reynolds-Zahl bei der Strömung Eintrag Ebene bei der Ausrichtung Wert steuern.</li>
	<li>Notieren Sie alle relevanten Rohdaten, einschließlich der Steady-State Wandtemperaturen, flüssigkeitstemperaturen, Heizung Befugnisse, Durchfluss Druck und ambient Drücke und Temperaturen für die Weiterverarbeitung der Daten.</li>
	<li>Bewerten Sie die lokalen und Bereich im Durchschnitt Nusselt Zahlen (Nu0) über die gescannten statische Kanalwände.</li>
</ol>6. Drehen Hitze-Transfer-Tests
<ol><li>Installieren Sie das Online-monitoring-Programm zur Überwachung der Testbedingungen bei targeting Re und Ro.</li>
	<li>Füttern Sie die gemessenen Kühlmittel Massenstrom, Luftstrom Druck, Geschwindigkeit und Temperatur der Flüssigkeit am Kanaleingang in das monitoring-Programm zur Berechnung der instant Re und Rodrehen.</li>
	<li>Notieren Sie alle relevanten Rohdaten wie rotierende Geschwindigkeit, Heizleistung, Luftstrom und ambient Druck sowie die Wand- und Flüssigkeit Temperaturen zur Weiterverarbeitung der Daten, nachdem die vordefinierten stationären Bedingung erfüllt ist.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 6.2 und 6.3 mit mindestens vier aufsteigend oder absteigend Heizung Befugnisse auf eine Reihe von festen Re und Ro. Sicherstellen Sie, dass der Test Re und Ro fallen innerhalb von ±1 % Abweichungen der targeting-Werte durch die Einstellung der Drehgeschwindigkeit des Massenstroms Kühlmittel oder beides.</li>
	<li>Sicherstellen Sie, dass die Hitze Übertragung Tests auf jeden Satz von festen Re und Ro mit verschiedenen Heizung Kräfte kontinuierlich durchgeführt werden, da die Entwicklung der Auftrieb induzierte Ströme mit der "Geschichte" der Fluss Entwicklung verbunden ist.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 6.4 und 6.5 mit vier oder fünf targeting Reynoldszahlen (Re) auf eine feste Drehzahl (Ro). Stellen Sie sicher, dass die drehende Geschwindigkeit bei jedem Test Re Re und Ro bei der targeting-Werte innerhalb von ±1 % Unterschiede steuern entsprechend eingestellt ist.</li>
	<li>Wiederholen Sie Schritt 6.6 mit vier oder fünf targeting Drehung Zahlen (Ro).</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 6.2 bis 6.7 mit umgekehrter Drehrichtung.</li>
	<li>Bewerten Sie die lokalen und Bereich im Durchschnitt Nusselt Zahl (Nu) über die gescannten rotierenden Kanalwände mit einem Post-Datenverarbeitung-Programm.</li>
</ol>(7) Parametrische Analyse
<ol><li>Der Bereich im Durchschnitt Nusselt Zahlen (Nu-0) in die Funktionen der Reynolds-Zahl von den statischen Kanal gesammelt zu korrelieren.</li>
	<li>Bewerten der Vollfeld lokale Nu/Nu0 Verhältnisse bei jeder festen Re und Ro getestet mit dem Bereich gemittelt Nu/Nu0 Kennzahlen berechnet.</li>
	<li>Überprüfen Sie die Anwendbarkeit der Isolation Re Wirkung durch Auftragen der lokalen und Bereich gemittelt Nu/Nu0 Verhältnisse zu erhalten, mit verschiedenen Re aber identische Ro.</li>
	<li>Offenlegen der isolierten Auswirkungen von rotierenden Auftrieb auf Hitze Übertragung Eigenschaften des rotierenden Testkanal durch Auftragen der Bereich gemittelt Nu/Nu0 -Verhältnisse an der gleichen Ro mit verschiedenen Re gesammelt gegen Bu oder Dichte-Verhältnis (Δρ/ρ). Sicherstellen die bevorzugte Auswahl der Bu oder Δρ/ρ , diese Art der Handlung für den Erhalt des konsistenten Daten Trends mit einer einfachen funktionalen Struktur für Wärme zu konstruieren transfer Korrelation.</li>
	<li>Extrapolieren jedes Nu/Nu0 Daten Trend gesammelt an einem festen Ro aber verschiedene Re in die einschränkende Bedingung der Bu→0 oder Δρ/ρ→0.</li>
	<li>Sammeln Sie alle hochgerechneten Nu/Nu0 Ergebnisse mit Bu→0 oder Δρ/ρ→0 bei allen getesteten Ro.</li>
	<li>Plot der hochgerechneten Nu/Nu0 Ergebnisse mit verschwundenen Auftrieb Interaktion gegen Ro abgekoppelt Coriolis Stillschweigen Krafteinwirkungen auf die Hitze-Transfer-Eigenschaften.</li>
	<li>Korrelieren Sie die Testergebnisse gesammelt durch Schritte 7.4 und 7.7 in die Funktionen der Ro und Bu.</li>
</ol>

<ol><li>Morris, W. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMorris%2C+WD+%22Heat+transfer+and+fluid+flow+in+rotating+coolant+channels%22">Heat transfer and fluid flow in rotating coolant channels</a>. , John Wiley and Sons. ISBN 0471101214(1981).</li>
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<li>Li, Y., Deng, H., Tao, Z., Xu, G., Chen, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931016309632">Heat transfer characteristics in a rotating trailing edge internal cooling channel with two coolant inlets.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 105 (2), 220-229 (2017).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Während die Stirnwand Temperaturen eines rotierenden Kanals durch ein Infrarot-Thermografie-System erkannt werden, werden die Temperatur von Thermoelementen gemessen. Wie das alternative Magnetfeld der einen AC Motor für eine rotierende Rig Spannungspotenzial Thermoelement Messungen stören induziert, muss die DC-Motor angenommen werden, um einen rotierenden Prüfstand fahren.
Die Flüssigkeit Temperaturverteilung über die Ausfahrt Fläche eines beheizten Kanals ist nicht einheitlich. Mindestens f...

Während thermodynamischen Gesetze diktieren die verbesserte spezifische Leistung und thermische Wirkungsgrad einer Gasturbine-Engine durch Erhöhung der Turbine Eintrag Temperatur, sind mehrere heißen Motorteilen wie Turbinenschaufeln, thermische Schädigung anfällig. Interne Kühlung eine Gasturbine Rotorblatt ermöglicht eine Turbine Eintrag Temperatur über die Temperaturgrenzen der Kriechfestigkeit von der Klinge Material. Allerdings müssen die Konfigurationen von den internen Kühlkanälen das Schaufelprofil entsprechen. Vor allem dreht sich das Kühlmittel in das Rotorblatt. Solche harten thermischen Bedingungen für eine laufende Gasturbine Rotorblatt ist eine effektive Klinge Kühlschema sehr wichtig, die Struktur Integrität zu gewährleisten. Daher sind die Nahwärme Transfer Eigenschaften für einen rotierenden Kanal wichtig für die effiziente Nutzung der begrenzten Kühlmittelfluss zur Verfügung. Der Erwerb von Nutzwärme Daten übertragen, die für das Design der innerer kühlschmierstoffzufuhr Passagen auf realistische Motorbedingungen sind ist von zentraler Bedeutung bei der Entwicklung eine experimentelle Methode zur Messung der Wärme-Transfer-Eigenschaften von einem simulierte Abkühlung Durchgang innerhalb einer Gasturbine Rotorblatt.
Drehung mit einer Geschwindigkeit über 10.000 u/min verändert deutlich die Kühlleistung eines rotierenden Kanals in einer Gasturbine Rotorblatt. Die Identifizierung von Motorbedingungen für einen rotierenden Kanal ist zulässig, mit dem Gesetz der Ähnlichkeit. Mit Rotation können die dimensionslosen Gruppen, die TRANSPORTPHÄNOMENE im Inneren einen Radial rotierenden Kanal steuern durch die Ableitung der Fluss Gleichungen relativ zu einem rotierenden Bezugssystem aufgedeckt werden. Morris1 hat den Impulssatz Erhaltung des Flusses relativ zu einem rotierenden Bezugssystem als abgeleitet:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq1.jpg">(1)
In Gleichung (1), die lokale fluidgeschwindigkeit, V̄, mit der Position Vektor, R̄, bezogen auf einen Bezugsrahmen mit der Winkelgeschwindigkeit ωrotierende wird beeinflusst durch die Coriolis Beschleunigung in Bezug auf 2 (ω×V̄), die entkoppelte zentripetale Auftriebskraft, β(T-TRef) (ω×ω×R̄), der angetriebenen Piezo-Metrik Druckgradient, <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq16.jpg"> , und die Flüssigkeit dynamische Viskosität ν. Die referenzierte flüssige Dichte ρRef, nennt man eine vordefinierte Fluid Referenztemperatur TRef, was ist typisch für die lokalen flüssigen Massentemperatur für Experimente. Wenn die irreversible Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie vernachlässigt werden kann, sinkt die Energie-Erhaltung-Gleichung auf:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq2.jpg">(2)
Der erste Term der Gleichung (2) ergibt sich durch die Behandlung der spezifischen Enthalpie direkt auf die lokalen fluidtemperatur, T, über die Konstante spezifische Wärme Cpbezogen werden. Da die Störung verursacht durch Variation der Temperatur der Flüssigkeit in einem beheizten rotierenden Kanal flüssigkeitsdichte erheblichen Einfluss auf die Bewegung der Flüssigkeiten, bietet wenn es mit der zentripetalen Beschleunigung in Gleichung (1), der fluidgeschwindigkeit links und Temperaturfelder in einem Axial rotierenden Kanal gekoppelt sind. Auch variieren die Coriolis und zentripetale Beschleunigungen gleichzeitig wie die drehende Geschwindigkeit angepasst wird. So sind die Auswirkungen der Coriolis Kraft und Auftrieb auf den Feldern der fluidgeschwindigkeit und Temperatur drehen natürlich gekoppelt.
Gleichungen (1) und (2) in die dimensionslose Form offenbaren die Strömungsparameter, die für die Wärmekonvektion in einem rotierenden Kanal gelten. Mit einem im wesentlichen einheitlichen Wärmestrom auferlegt einen rotierenden Kanal, lokale flüssigen Massentemperatur, Tb, steigt linear in die streamwise Richtung s, von der Referenzpegel Einlass, TRef. Die lokalen flüssigen Massentemperatur richtet sich als TRef + τs, wo τ der Gradient der flüssigen Massentemperatur in Strömungsrichtung ist. Auswechslungen der folgenden dimensionslose Parameter:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq3.jpg">(3)
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq4.jpg">(4)
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq5.jpg">(5)
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq6.jpg">(6)
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq7.jpg">(7)
in den Gleichungen (1) und (2) wo Vbedeuten, N und d bzw. für die mittlere Strömung durch Geschwindigkeit, rotierende Geschwindigkeit und hydraulische Kanaldurchmessers stehen, stammen die dimensionslose Fluss Impuls und Energie Gleichungen als Gleichungen (8) und (9) bzw..
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq8.jpg">(8)
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq9.jpg">(9)
Offenbar, η in Gleichung (9) ist eine Funktion des Re, Round Bu = Ro2βτdR, die jeweils als Reynolds, Rotation und Auftrieb Zahlen bezeichnet werden. Die Rossby-Zahl, die das Verhältnis zwischen inertial quantifiziert und Coriolis Kräfte entspricht die inverse Drehzahl in Gleichung (8).
Wenn Tb TRef + τs in einem rotierenden Kanal unterliegen einem einheitlichen Wärmestrom berechnet wird, der τ -Wert bewertet werden kann alternativ als Qf/ (mCpL) in die Q f, m und L sind die konvektive Heizleistung, Kühlmittel Durchflussmenge Masse und Länge, bzw. Kanal. Somit entspricht die dimensionslose lokalen flüssigen Massentemperatur, ηb, s/d und die dimensionslose Temperatur im kanalwandung, ηw, ergibt [(Tw-Tb ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Mit der Konvektionswärme Übertragungsrate definiert als Qf/ (T-w-T-b), ist die dimensionslose Wand-zu-Fluid Temperaturdifferenz, ηw-ηb, die lokale Nusselt-Zahl über Gleichung (10) in welchen ζ umbaubar ist die dimensionslose Form Funktion der Heizung Bereich und Kanal Querschnittsfläche.
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq10.jpg">(10)
Mit einer Reihe von vordefinierten Geometrien und die hydrodynamischen und thermischen Randbedingungen sind die dimensionslosen Gruppen steuern die lokale Nusselt-Zahl eines rotierenden Kanals als identifiziert:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq11.jpg">(11)
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq12.jpg">(12)
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq13.jpg">(13)
Mit experimentellen Untersuchungen, die Einstellung der Drehgeschwindigkeit, N, ändert sich für unterschiedliche Ro um die Wärmeübertragung zu generieren Daten auf unterschiedliche Stärken der Coriolis Kräfte unweigerlich die zentripetale Beschleunigung, und somit die relative Stärke der rotierende Auftrieb. Darüber hinaus eine Reihe von Wärme übertragen Daten von einem rotierenden Kanal gesammelt unterliegt immer einem endlichen Grad rotierender natürliche Konvektion. Zur Offenlegung der Einzelwirkungen der Coriolis Kraft und Auftrieb auf die Wärmeübertragung Leistung eines rotierenden Kanals erfordert die Abkopplung der Ro und Bu Auswirkungen auf Nu Eigenschaften durch das Post-Datenverarbeitung-Verfahren, die ist in dem vorliegenden experimentellen Verfahren inklusive.
Motor und Labor Strömungsverhältnisse für einen rotierenden Kanal innerhalb einer Gasturbine Rotorblatt können durch die Bereiche des Re, Ro und Buangegeben werden. Die motortypischen Bedingungen für das Kühlmittel durchfließen eine Gasturbine Rotorblatt, sowie den Bau und Inbetriebnahme der rotierenden Prüfeinrichtung, die Experimente in der Nähe der tatsächlichen Motorbedingungen durchgeführt werden dürfen, wurde von Morris2 berichtet . Basierend auf der realistischen Motorbedingungen zusammengefasst von Morris2, konstruiert Abbildung 1 die realistischen Betriebsbedingungen in Bezug auf Re, Ro und Bu reicht für einen rotierenden Kühlmittel-Kanal in einer Gasturbine Rotorblatt. In Abbildung 1wird die Angabe der schlimmsten Zustand des Motors laufendem Zustand am höchsten Rotordrehzahl und die höchste Dichte-Verhältnis genannt. In Abbildung 1entstehen die Untergrenze und schlimmsten Motor Betriebsbedingungen bzw. bei der niedrigsten und höchsten Drehzahlen. Es ist äußerst schwierig, die flächenhafte Nu Verteilung eines rotierenden Kanals läuft bei einer echten Motordrehzahl zwischen 5000 und 20.000 u/min messen. Jedoch wurden basierend auf dem Gesetz der Ähnlichkeit, Labormaßstab Tests bei reduzierten rotierenden Geschwindigkeiten aber mit mehrere Versuche, um eine vollständige Abdeckung der Real-Motor Re, Ro und Bu bieten durchgeführt. Als eine innovative, experimentelle Methode angenommen die NASA HOST Programm3,4,5,6 die Hochdruck-Tests zur Steigerung der flüssigen Dichte bei den vordefinierten Re in um zu den Ro durch eine Verringerung der mittleren fluidgeschwindigkeit erweitern. In diesem Zusammenhang beziehen sich die besonderen Beziehungen zwischen Re, Ro und Bu für ein ideales Gas mit Gaskonstante, Rcund Viskosität, μ, als:
<img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq14.jpg">(14)
<img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq15.jpg">(15)
Laborbedingungen Motorbedingungen in Abbildung 1, die drehende Geschwindigkeit, N, Kühlmittel Druck P, hydraulische Kanaldurchmessers, d, drehen Radius, R, gesehen in der nominalen Korrespondenz mitbringen und Wand-zu-Fluid Temperaturdifferenz, Tw-T-b, für den Abgleich der realistischen Re, Ro und Bu reicht kontrolliert werden müssen. Natürlich ist einer der effektivsten Ansätze zur Reichweitenverlängerung Ro Kanal hydraulischen Durchmesser erhöhen wie Ro proportional zur d2 ist. Wie Wärme Übertragung Labortest bei realistischen N äußerst schwierig ist, ist der Kühlmitteldruck, P, technisch einfacher für Ro Erweiterung erhöht werden; auch wenn Ro nur proportional zur P. Basierend auf diesem theoretischen Hintergrund, ist die Design-Philosophie der vorliegenden experimentellen Methode Ro erhöhen durch Druckbeaufschlagung der rotierenden Test-Kanal mit der maximale hydraulische Kanaldurchmessers durfte in den rotierenden Rig passen. Die Ro -Reichweite erhöht haben, ist das Spektrum der Bu entsprechend erweitert, wie Bu Ro2proportional ist. In Abbildung 1sind die Labor Testbedingungen angenommen, um die Wärme übertragen Daten von rotierenden Kanäle erzeugen ebenfalls inklusive3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. wie in Abbildung 1angegeben, die Berichterstattung über realistische Motorbedingungen durch die verfügbare Wärme übertragen Daten ist noch begrenzt, vor allem für den gewünschten Bu -Bereich. Das Öffnen und die farbigen solide Symbole, die in Abbildung 1 dargestellt sind die Spitzen und Vollfeld Hitze Transfer Experimente, beziehungsweise. Wie in Abbildung 1gesammelt, übertragen Großteil der Wärme Daten mit Kühlanwendungen, Gas Turbine Rotor Blades1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 sind Messungen unter Verwendung der Thermoelement-Methode. Die wandeffekte Wärmeleitung auf der Messung der Wand leitfähige Erhitzen Flux und die Temperaturen in der Flüssigkeit-Wand Schnittstellen untergraben die Qualität von Wärme übertragen Daten aus den Messungen Thermoelement umgewandelt. Auch die Hitze Übertragung Messungen1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 mit der Thermoelement-Methode kann nicht die zweidimensionale Wärme Übertragung Variationen über eine rotierende Oberfläche erkennen. Mit dem vorliegenden experimentellen Methode29,30,31,32ist die Erkennung von Vollfeld Nusselt Zahl Verteilungen über die rotierenden kanalwandung zulässig. Die Minimierung der Wand Wärmeleitung Effekt mit 0,1 mm dicke Edelstahl-Folien mit Biot Zahlen &gt;&gt; 1 die Heizleistung durch die vorliegenden experimentellen Methode generieren erlaubt die eindimensionale Wärmeleitung von der Heizfolie auf den Kühlmittelfluss. Insbesondere ist der Erwerb von Vollfeld Wärme Übertragungsdaten mit Ro und Bu -Effekte nicht zulässige Verwendung der transienten Flüssigkristall-Technik und Thermoelement-Methode. Mit der aktuellen stationären Flüssigkristall-Thermografie Methode19deaktiviert der nachweisbaren Temperaturbereich von 35-55 ° C die Erzeugung von Wärme übertragen Daten mit realistischen Dichteverhältnisse.
Mit der EZB die Wärmekonvektion in einem rotierenden Kanal Strömungsparameter nachweisen können, dass die volle Deckung der realistischen Motorbedingungen in Abbildung 1 zu sehen ist noch nicht erreicht, so die Notwendigkeit für den Erwerb der vollflächige Wärme übertragen Daten an realistische Motorbedingungen hat ständig aufgefordert. Die vorliegende experimentelle Methode ermöglicht die Erzeugung der vollflächige Wärmeübertragung mit Coriolis Kraft und drehen-auftriebseffekte erkannt. Die Protokolle sind unterstützen die Ermittler eine experimentelle Strategie relevant für die realistische Vollfeld Wärme Übertragung Messung eines rotierenden Kanals entwickeln soll. Zusammen mit der Methode der Parametrische Analyse, die für die vorliegende experimentelle Methode eindeutig ist, ist die Erzeugung von Hitze-Transfer-Korrelation für Beurteilung isoliert und voneinander abhängigen Ro und Bu auf Nu gestattet.
Der Artikel zeigt eine experimentelle Methode zur Generierung von zweidimensionalen Wärme übertragen Daten von einem rotierenden Kanal mit Strömungsverhältnisse, die ähnlich wie die realistische Gasturbine Motorbedingungen aber mit wesentlich geringeren rotierenden Geschwindigkeiten in Betrieb die Dolby Laboratories. Die Methode entwickelt, um wählen die drehende Geschwindigkeit, der hydraulische Durchmesser der Testkanal und die Auswahl an Wand-zu-Fluid Temperaturunterschiede für den Erwerb der Wärmeübertragung, die Daten auf realistische Motorbedingungen in der Einleitung dargestellt ist. Die Kalibrierungstests für die Infrarot-Thermografie-System testet die Wärme-Verlust-Kalibrierung und der Betrieb von der rotierenden Hitze-Transfer-Prüfstand werden angezeigt. Faktoren, die zu erheblichen Unsicherheiten für Wärme zu übertragen, Messungen und die Verfahren zur Entkopplung der Corioliskraft und Auftrieb Auswirkungen auf die Hitze-Transfer-Eigenschaften eines rotierenden Kanals sind beschrieben in dem Artikel mit der selektiven Ergebnisse die vorliegende experimentelle Methode zu demonstrieren.

<table><tbody><tr><td>Rotierender Prüfstand</td><td>Eigenentwicklung</td><td></td><td>durch diese Forschungsgruppe</td></tr><tr><td>Wärmeübertragungsprüfmodul</td><td>Eigenfertigung</td><td></td><td>Konstruktion durch diese Forschungsgruppe</td></tr><tr><td>Massendurchflussmesser</td><td>Eldride Product, Inc.</td><td>3100301-01-01 359-1007</td><td></td></tr><tr><td>Infrarot-Thermografiesystem</td><td>NEC P384A-8</td><td>3100401-04 3127A-4</td><td></td></tr><tr><td>Schleifring für Instrumentierung</td><td>Michigan Scientific SR36M</td><td>3100506-62 3553-372</td><td></td></tr></tbody></table>

abkoppeln corioliskraft und rotierenden auftrieb auswirkungen auf vollfeld heat transfer eigenschaften eines rotierenden kanals

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

Eine experimentelle Methode zur Erkundung der Hitze Übertragungsverhalten eines Axial rotierenden Kanals wird vorgeschlagen. Die regierenden Strömungsparameter, die TRANSPORTPHÄNOMENE in einem rotierenden Kanal zu charakterisieren sind über die parametrische Analyse der Dynamik und Energie Gleichungen unter Bezugnahme auf einen rotierenden Bezugssystem gekennzeichnet. Basierend auf diese dimensionslose Fluss Gleichungen, eine experimentelle Strategie, die das Design des Moduls Test verbindet wird das experimentelle Programm und die Datenanalyse formuliert, bei dem Versuch zu zeigen, der isolierten Corioliskraft und auftriebseffekte bei Hitze Transfer-Leistungen. Die Auswirkungen der Coriolis Kraft und rotierenden Auftrieb sind anhand der selektiven Messergebnisse von rotierenden Kanäle mit unterschiedlichen Geometrien. Während die Coriolis Kraft und rotierenden Auftrieb Auswirkungen einige Gemeinsamkeiten zwischen den verschiedenen rotierenden Kanälen teilen, sind die einzigartige Wärme Übertragung Signaturen in Verbindung mit der Fließrichtung, die Kanalform und die Anordnung der Hitze gefunden. Erweiterung-Geräte zu übertragen. Unabhängig von der Strömung Konfigurationen der rotierenden Kanäle, die vorgestellte experimentellen Methode ermöglicht die Entwicklung von physisch konsistente Hitze Übertragung Korrelationen, die die Beurteilung der isoliert und voneinander abhängigen Corioliskraft erlauben und rotierende Auftrieb Auswirkungen auf die Wärme übertragen Eigenschaften rotierender Kanäle.

Realistische Betriebsbedingungen für die interne Kühlmittel fließt innerhalb einer rotierenden Gasturbinenschaufel in Bezug auf Re, Ro und Bu sind gegenüber der emulierten Laborbedingungen in Abbildung 1. Die Datenpunkte fallen in die realistische Motorbedingungen mit der vorliegenden experimentellen Methode zusammengefasst in die Protokolle11,14,17,<sup class="...

Hier präsentieren wir Ihnen eine experimentelle Methode zur Entkopplung von voneinander abhängigen Corioliskraft und rotierende auftriebseffekte auf Vollfeld Hitze-Transfer-Distributionen eines rotierenden Kanals.

Abkoppeln Corioliskraft und rotierenden Auftrieb Auswirkungen auf Vollfeld Heat Transfer Eigenschaften eines rotierenden Kanals

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Wärmeübertragungsbereich zu beantworten, darunter viele, die auf die interne Kühlung von Gussturbinenrotorblättern bewertet sind. Der Hauptvorteil dieser Technik sind die gesammelten Wärmeübertragungsdaten vor Ort und die vorgeschlagene Methode zur Datenreduktion. Diese sind in der Lage, individuelle und voneinander abhängige Effekte der Coriolis Falten und rotierenden Auftrieb auf lokale Wärmeübertragungseigenschaften zu offenbaren.Die Demonstration des Verfahrens werden Kuo-Ching Yu, Wei-Ling Cai und Hong-Da Shen sein. Drei Absolventen aus meinem Labor. Das Protokoll erfordert die Verwendung eines rotierenden Rigs, das aus einer Welle besteht, die von einem Motor angetrieben wird.Die Welle treibt eine rotierende Plattform an, die ein Testmodul unterstützt. Es hat auch ein Gegengewicht für Rotationsausgleich. Eine Infrarotkamera ist in der Lage, das Testmodul zu scannen.Die Features des Testmoduls, das für die Datenerfassung verwendet wird, werden in diesem Explosionsansichtsschema dargestellt. Bei der Konstruktion helfen der Teflonrahmen, die Seitenwände, die Trennwände und die Oberen und Rückenplatten dabei, einen quadratischen zwei hinteren Kanal mit S-förmigen Ein- und Auslassbeinen zu definieren. Die Basis des Moduls wird an der rotierenden Plattform befestigt.Während der Experimente tragen Edelstahlfolien-Endwände Strom, um Einen Heizfluss zu erzeugen. Kupferplatten helfen, die Folie an Ort und Stelle zu halten. Eine Luftkammer liefert Druckluftstrom durch die Basis leicht von der Mittellinie des Einlassbeins.Schließlich geht auch der Auspuff aus dem Auslassbein durch die Basis. Einmal montiert und in Position, ist die freiliegende Folienendwand die führende Stirnwand in der Drehung. Bereiten Sie sich am montierten Prüfmodul darauf vor, die wärmeräuerische Emissivität zu messen.Es hängt Heizfolie zwischen Infrarotkamera und Testmodul. Machen Sie die elektrischen Anschlüsse für die Heizung. Greifen Sie auf die Seite der Folie zu, die dem Prüfmodul am nächsten liegt.Auf dieser Seite in der Mitte der Folie ein kalibriertes Thermoelement installieren. Als nächstes die Aufmerksamkeit auf die Kamera seite der Folie zu drehen. Bereiten Sie diese Seite gegenüber dem Thermoelement vor, indem Sie eine dünne Schicht schwarzer Farbe darauf sprühen.Jetzt verwenden Gehäuse, um die Kamera in Heizfolie während der Datenerfassung zu isolieren. Führen Sie elektrische Energie an die Heizfolie, um ein symmetrisches Durchflussfeld zu erzeugen. Sobald sich das System im stationären Zustand befindet, messen Sie die Temperatur anhand von Thermoelement- und Infrarotthermographie.Wiederholen Sie die Messung mit verschiedenen Heizkräften. Nach Abschluss der Messungen das Thermoelement aus der Folie entfernen. Bereiten Sie das Rig für Wärmeübertragungstests vor.Dazu gehören Geräte zum Druck auf den Prüfkanal. Seien Sie darauf vorbereitet, das Gegengewicht anzupassen, um das Gleichgewicht der Anlage herzustellen. Überprüfen oder etablieren Sie zunächst das statische Auswuchten des rotierenden Rigs.Sobald er erreicht ist, bleibt der Rotor in jeder Winkelposition, auf die er eingestellt ist. Für ein dynamisches Auswuchten beginnen Sie das Rig mit der gewünschten konstanten Geschwindigkeit. Beginnen Sie mit der Infrarot-Bildgebung, und zeigen Sie die aufgenommenen Bilder an.Wenn sich das Rig nicht in einem dynamischen Gleichgewicht befindet, ist das thermografische Bild aus den Messungen nicht stabil. Um ein dynamisches Gleichgewicht zu erreichen, passen Sie das Gegengewicht schrittweise an. Wenn eine dynamische Balance erreicht ist, wird es unter den Laufbedingungen ein stabiles Wärmebild geben.Entfernen Sie das Prüfmodul vom rotierenden Rig und bringen Sie es auf eine Bank. Als nächstes Zugriff auf die Module Kühlmittelkanal. Haben Wärmedämmmaterial zur Verfügung, in diesem Fall Isolierfaser.Füllen Sie den Kühlmittelkanal zum Prüfmodul mit der Wärmedämmung. Hier ist der Kanal ausreichend gefüllt für die nächsten Schritte im Protokoll. Setzen Sie das Testmodul wieder zusammen und bereiten Sie es für die Wiedermontage auf dem Rig vor.Schließen Sie die gesamte Stromversorgung in Instrumentenkabeln wieder an. Bringen Sie das Prüfmodul an das rotierende Rig zurück, wenden Sie die Heizleistung an und stellen Sie die Bedingungen für die Messung ein. Überwachen Sie die Wandtemperatur im Laufe der Zeit, in der Regel mehr als drei Stunden.Die Temperaturen an den beiden Sehenswürdigkeiten werden unterhalb des Wärmebildes dargestellt. Wenn die Temperaturabweichung weniger als 0,3 Kelvin beträgt, notieren Sie die Wand bei den Umgebungstemperaturen und der Heizleistung. Nehmen Sie mehrere Messungen vor und variieren Sie systematisch die Heizung, Die Drehzahl und die Richtung.Wenn Sie fertig sind, nehmen Sie das Modul zurück zu einer Bank, um das Isoliermaterial zu entfernen, bevor Sie es wieder auf dem Rig montieren. Führen Sie als Nächstes den Wärmeübertragungstest mit dem Testmodul durch. Starten Sie die für das Experiment entwickelte Kalkulationstabelle.Definieren Sie in den entsprechenden Zellen die geometrischen Parameter, die dem Testmodul zugeordnet sind. Starten Sie beim Einrichten den Kühlmittelfluss in den Testkanal. Geben Sie in der Tabelle die Messwerte für Umgebungs- und Flüssigkeitstemperaturen, Kühlmittelmassendurchfluss, atmosphärischen Druck und den gemessenen Kühlmittel-Statikdruck ein.Die Software berechnet die Reynolds-Zahl und zeigt sie an. Wenn es sich nicht um die gewünschte Reynolds-Zahl handelt, ändern Sie die Kühlmittelmassendurchflussrate. Geben Sie dann die gemessenen Parameter erneut ein, um die neue Reynolds-Nummer zu finden.Aktivieren Sie mit der eingerichteten Reynolds-Nummer das Thermografiesystem. Als nächstes liefern und regulieren Sie die Heizleistung, um die Wandtemperatur einzustellen. Stellen Sie sicher, dass die Temperatur einen stationären Zustand beim vordefinierten Wert erreicht hat, indem Sie überprüfen, ob das zeitliche Wandtemperaturprofil flach ist.Geben Sie in der Kalkulationstabelle die gemittelte Wandtemperatur über dem gescannten Bereich ein. Geben Sie auch die Heizspannung und den Heizstrom ein. Bei Basistests werden die Daten für die Nachbearbeitung gespeichert, sobald die Bedingungen festgelegt sind.Für den rotierenden Wärmeübertragungstest wird durch Aktivieren des Motors fortgesetzt, um mit der Rotation zu beginnen. Geben Sie die Drehzahl der Welle in die Kalkulationstabelle ein. Die Software bestimmt die Rotationsnummer für die aktuellen Bedingungen.Passen Sie die Drehzahl an, um die angestrebte Rotationsnummer zu erhalten. Um die gewünschten Reynolds- und Notationsnummern in einem stabilen Zustand zu erreichen, kann es notwendig sein, die Kühlmitteldurchflussmenge zu optimieren. Rotationsgeschwindigkeit und Heizleistung mehrmals.Speichern Sie alle rotierenden Wärmeübertragungsdaten für die Nachbearbeitung. Sammeln Sie weiterhin systematisch Daten für verschiedene Werte der experimentellen Parameter. In diesen Bildern des S-Kanal-Testmoduls mit Kühlmittelströmen bei verschiedenen Reynolds-Zahlen gibt es räumliche Variationen von Nusselt-Zahlen aufgrund von Durchwirbeln induzierten Fliehkräften.Diese Parzellen spiegeln die flächengemittelten Wärmeübertragungseigenschaften über den führenden und nachfolgenden Endwänden des S-Kanalmoduls wider. Die Drehung zum statischen Nusselt-Zahlenverhältnis als Funktion der Auftriebszahl geht von unten nach oben für die Vorderwand. Bei der nachgestellten Randwand liegt das Verhältnis nie unter einem.Beachten Sie, dass bei festen Rotationsnummern und unterschiedlichen Reynolds-Zahlen die normalisierten Nusselt-Zahlen über einen kleinen Bereich variieren. Verschiedene Kanaltypen haben unterschiedliches Verhalten. Für eine bestimmte Rotationsnummer ergibt die Extrapolation auf Null Auftrieb den Wärmeübertragungsgrad aufgrund von Coriolis Kräften mit verschwindendem Auftrieb für die führende Wand.Ähnliche Analysen funktionieren für die Hinterwand. Hier ist die Variation des Rotations- zum statischen Nusselt-Zahlenverhältnis bei verschwindendem Auftrieb als Funktion der Rotationszahl für verschiedene Kanalgeometrien. Die Daten zeigten die entkoppelten Coriolis-Krafteffekte auf die flächendurchschnitten Wärmeübertragungseigenschaften der führenden und nachfolgenden Kantenendwände.Diese Daten zeigen, welche Auswirkungen die Auftriebszahl auf die Wärmeübertragungseigenschaften eines rotierenden Kanals hat, ist rotationsabhängig. So kann diese Methode einen Einblick in die Kühlleistung des rotierenden Kanals innerhalb eines Gussturbinenrotorblatts geben. Es kann auch auf andere Systeme wie amature Kühlung von reichen Kernmotor angewendet werden.Im Allgemeinen sind Personen, die mit dieser Methode oder diesem Zyklus neu sind, weil die Wärmeübertragungsmessung von einer rotierenden Oberfläche schwierig ist. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 100 Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt wird. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, ständig nach Kühlmittelflusslecks zu suchen.Nach ihrer Entwicklung ebnet diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Gussturbinenmotoren, um die volle Feldnusselt-Nummernverteilung in Rotorblättern zu erforschen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Effekte von Coriolis-Falten und rotierenden Auftrieb auf Vollfeldagenten entkoppeln können, um Eigenschaften der rotierenden Kanäle und Anwendungen zum Rollen turbinenrotoren zu erzielen.

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Forschung

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