Name: 連結を解くコリオリの力と全視野熱回転浮力の影響回転チャネルのプロパティを転送します。 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 3 s
Description: 学ぶ回転チャネルにおけるコリオリ力と回転浮力の熱伝達への個別効果の解明手法。赤外線熱画像を用いた全視野計測により、鋳造タービン翼の内部冷却設計に貢献する実験的手法を習得できます。

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現在の研究は科学省と台湾の技術によって助成 NSC 94-2611-E-022-001、NSC 95-2221-E-022-018、NSC 96-2221-E-022-015MY3、NSC 97-2221-E-022-013-MY3 の下で財政的に後援されました。

注: テスト設備、データ取得、データ処理、ガスタービン動翼の内部冷却チャネルをエミュレートする熱転写テスト モジュールを回転の詳細については、私たち以前の作品29,30,31 ,32。
1. 熱転送テストの準備
<ol><li>日時、 Ro Buガスタービン動翼の対象操作条件から面で実験条件を策定します。</li>
	<li>N、 P、 d R、およびTw - Tbテストの日時、 RoとBu方程式 (14) 及び (15) を使用してを取得するために必要なを決定します。</li>
	<li>N、 P、 d R、およびTw - Tb実験施設の制限を超えた場合、ターゲットの日時、 Ro 、 Buを再定義します。</li>
	<li>ガスタービンのローター ブレード2の実用的な内部クーラント チャネルをエミュレートする拡張熱転送テスト モジュールの設計と施工</li>
</ol>2. 赤外線サーモグラフィ用熱放射率係数の決定
<ol><li>スキャンしたステンレス製暖房ホイルの裏側に較正された熱電対をインストールします。</li>
	<li>赤外線カメラによってスキャンされたステンレス製加熱箔に黒塗りの薄層をスプレーします。</li>
	<li>垂直加熱箔の 2 つの側面上自由対流の流れと空間の縦の薄いステンレス鋼箔を置くことによってステンレス鋼加熱箔の二辺に対称フロー フィールドを作成します。</li>
	<li>暖房箔を介して給電電気暖房と定常状態でコンピューターのディスプレイから熱電対、赤外線サーモグラフィ システムによって温度を同時に測定します。</li>
	<li>手順 2.4 少なくとも 4 回使用してヒーターの力が昇格。手順 2.3 と 2.4 Tw範囲のステップ 1.2 によって決定をカバーによって使用されるヒーター権限に対応する壁の温度を確認します。</li>
	<li>赤外線信号の温度データに変換するプログラムの選択性熱放射率係数の数を使用して赤外線サーモグラフィ システムによってスキャンされたTw値を計算します。</li>
	<li>較正された熱電対と評価の標準偏差に対応する熱電対のスポット位置に赤外線サーモグラフィ システムによって測定されるTwデータを比較します。</li>
	<li>手順 2.7 で決定した標準偏差最小熱放射率係数を選択します。</li>
	<li>赤外線サーモグラフィを用いて手順 2.8 で決定した熱放射率係数の最大精度エラーを確認します。</li>
</ol>3 リグを回転の動バランス
<ol><li>回転リグに熱転送テスト モジュール、赤外線カメラ、エンベロープのフレームおよびすべての付属品をインストールします。</li>
	<li>回転リグの実行条件を満たすコンピューター ディスプレイ上安定した熱画像を展示する赤外線サーモグラフィ測定のため振動の制限まで対抗の重量を徐々 に調整します。</li>
</ol>4. 熱損失係数の評価
<ol><li>断熱材を熱転写テスト モジュールの冷却剤チャネルを入力します。</li>
	<li>回転プラットフォームのテスト モジュールをフィッティング ヒーター電源と機器のすべてのケーブルを接続することによって回転のテスト装置に充填テスト モジュールをインストールします。</li>
	<li>時間をスキャンするデータ集録システムをアクティブにする定常状態の条件が満たされるまで加熱パワーでTwバリエーション。時間は、いくつかの連続したスキャン中にTwバリエーションが各定常状態で +0.3 K 未満。</li>
	<li>ヒーター電力、定常Twデータおよび対応する周囲温度、T∞を記録します。</li>
	<li>一定回転速度で手順 4.3 と 4.4 少なくとも 5 回使用して異なる暖房力を繰り返します。</li>
	<li>4.2 4.4 回転速度の少なくとも 5 つの手順を繰り返します。手順 1.2 で決定したすべてのn 個の値、回転速度のテスト範囲をカバーを確認します。</li>
	<li>逆の回転方向と 4.3 4.6 手順を繰り返します。</li>
	<li>各回転速度で壁から周囲温度差に対して放熱損失のプロットを構築します。</li>
	<li>回転速度、回転方向の壁から周囲温度差の関数としての熱損失係数を関連付けます。</li>
	<li>熱損失の相関をNu会計のポスト データ処理プログラムに組み込みます。</li>
</ol>5. 基準熱転送テスト
<ol><li>レイノルズ数ゼロの回転速度でターゲットで熱転送テストを実行 (Ro = N = 0) テスト モジュールにクーラントの流れとヒーターの力を供給することによって。指定された冷却水の質量流量は常にターゲット値をフロー エントリ平面でレイノルズ数を制御するために調整を確認します。</li>
	<li>定常壁温度、流体温度、ヒーターの力、流れ圧力周囲圧力と後続のデータ処理のため、温度を含む関連の生データを記録します。</li>
	<li>[静的チャネル] スキャンした壁の上ローカルおよび地域平均のヌッセルト数 (ν0) を評価します。</li>
</ol>6. 回転熱転送テスト
<ol><li>ターゲットの日時とRoでテスト条件を監視するオンライン監視プログラムをインストールします。</li>
	<li>測定されたクーラント流量、空気の圧力、回転速度とチャネルの入り口で流体温度インスタント日時とRoを計算する監視プログラムにフィードします。</li>
	<li>すべての関連する生データ、定義済みの定常状態の条件が満たされた後は、後続のデータ処理のための壁と流体の温度と同様、速度、ヒーター電力、空気の流れと周囲の圧力を回転などを記録します。</li>
	<li>6.2 と 6.3 に少なくとも 4 つの昇順または降順の一連の固定の日時とRoでヒーターの力を手順を繰り返します。回転速度や冷却水の流量を調整することによってターゲット値から ± 1% 差内テスト再とRo秋を確認します。</li>
	<li>浮力による流れの開発フロー開発の「歴史」に関連付けられていますに異なるヒーターの力で再固定とRoの各セットで熱転送テストが継続的に実行されることを確認します。</li>
	<li>4 つまたは 5 つターゲット レイノルズ数 (Re) 固定回転数 (Ro) で 6.4 と 6.5 の手順を繰り返します。回転速度を各テスト日時ターゲティング値 ± 1% 差内で日時とRoの両方を制御するために適切に調整を確認します。</li>
	<li>手順 4 または 5 回転数 (Ro) をターゲットを使用して 6.6 を繰り返します。</li>
	<li>逆の回転方向と 6.2 6.7 に手順を繰り返します。</li>
	<li>ポスト データ処理プログラムを使用してスキャンした回転チャネルの壁の上のローカルおよび地域平均のヌッセルト数 (ν) を評価します。</li>
</ol>7. パラメトリック解析
<ol><li>地域平均ヌッセルト数 (ν0) レイノルズ数の関数に静的なチャネルから収集を関連付けます。</li>
	<li>全視野ローカルニューを評価/各固定日時とRoでν0比テストの領域平均ν/ν0比で計算。</li>
	<li>ローカルおよび地域平均Nuをプロットすることによって分離日時効果の適用性を確認異なる日時で同一Roν0比が得られました。</li>
	<li>地域平均Nuをプロットすることによって回転のテスト チャネルの熱特性に浮力を回転の分離への影響を開示/ν0の比率を別の日時に同じRoで収集Buまたは密度比 (Δρ/ρ)。Buまたは Δρの望ましい選択を確保する/このタイプのシンプルな機能的構造で熱の一貫性のあるデータの傾向を取得するためのプロットを構築するρ相関の転送。</li>
	<li>各Nuを推定/ν0データ傾向をBu→0 または Δρの制限条件に異なる再が固定Roで収集/ρ→0。</li>
	<li>収集すべての推定NuNu0結果Bu→0 または Δρ//すべてのテストされたRoでρ→0。</li>
	<li>プロット外挿するν/ν0結果消えた浮力のやり取りを共役コリオリを開示するRoに対して強制的に熱伝達特性に及ぼす影響。</li>
	<li>7.4 と 7.7 の手順でRoとBuの関数に収集されたテスト結果を関連付けます。</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>
<li>Morris, W. D. <a target="_blank" href="http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1243/PIME_PROC_1996_210_008_02">A rotating facility to study heat transfer in the cooling passage of turbine rotor blades.</a> Journal of Power and Energy. 210 (1), 55-63 (1996).</li>
<li>Wagner, J. H., Johnson, B. V., Graziani, R. A., Yeh, F. C. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1463664">Heat transfer in rotating passages with smooth walls and radially outward flow.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 113 (1), 42-51 (1991).</li>
<li>Wagner, J. H., Johnson, B. V., Kopper, F. C. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1463797">Heat transfer in rotating serpentine passages with smooth walls.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 113 (3), 321-330 (1991).</li>
<li>Wagner, J. H., Johnson, B. V., Steuber, G. D., Yeh, F. C. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1464168">Heat transfer in rotating serpentine passages with trips normal to the flow.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 114 (4), 847-857 (1992).</li>
<li>Johnson, B. V., Wagner, J. H., Steuber, G. D., Yeh, F. C. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=2174407">Heat transfer in rotating serpentine passages with selected model orientations for smooth or skewed trip walls.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 116 (4), 738-744 (1992).</li>
<li>Hwang, G. J., Tzeng, S. C., Mao, C. P., Soong, C. Y. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1444620">Heat transfer in a radially rotating four-pass serpentine channel with staggered half-v rib turbulators.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 123 (1), 39-50 (2001).</li>
<li>Azad, G. S., Uddin, M. J., Han, J. C., Moon, H. K., Glezer, B. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1466391">Heat transfer in a two-pass rectangular rotating channel with 45-deg angled rib turbulators.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 251-259 (2002).</li>
<li>Griffith, T. S., Al-Hadhrami, L., Han, J. C. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1445838">Heat transfer in rotating rectangular cooling channels (AR=4) with angled ribs.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 124 (4), 617-625 (2002).</li>
<li>Al-Hadhrami, L., Griffith, T. S., Han, J. C. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1446334">Heat transfer in two-pass rotating rectangular channels (AR=2) with five different orientations of 45 deg V-shaped rib turbulators.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 125 (2), 232-242 (2003).</li>
<li>Chang, S. W., Liou, T. M., Hung, J. H., Yeh, W. H. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1448617">Heat transfer in a radially rotating square-sectioned duct with two opposite walls roughened by 45 deg staggered ribs at high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 129 (2), 188-199 (2007).</li>
<li>Zhou, F., Lagrone, J., Acharya, S. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1448975">Internal cooling in 4:1 AR passages at high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 129 (12), 1666-1675 (2007).</li>
<li>Liu, Y. H., Huh, M., Han, J. C., Chopra, S. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1474783">Heat transfer in a two-pass rectangular channel (AR=1:4) under high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 130 (8), (2008).</li>
<li>Chang, S. W., Liou, T. M., Chiou, S. F., Chang, S. F. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1474665">Heat transfer in high-speed rotating trapezoidal duct with rib-roughened surfaces and air bleeds from the wall on the apical side.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 130 (6), (2008).</li>
<li>Wright, L. M., Liu, Y. H., Han, J. C., Chopra, S. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1474696">Heat transfer in trailing edge, wedge-shaped cooling channels under high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 130 (7), 1-11 (2008).</li>
<li>Liou, T. M., Chen, M. Y., Tsai, M. H. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1466393">Fluid flow and heat transfer in a rotating two-pass square duct with in-line 90-deg ribs.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 260-268 (2002).</li>
<li>Chang, S. W., Liou, T. M., Yang, T. L., Hong, G. F. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1468154">Heat transfer in radially rotating pin-fin channel at high rotation numbers.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 132 (2), (2010).</li>
<li>Rallabandi, A., Lei, J., Han, J. C., Azad, S., Lee, C. P. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1838162">Heat transfer measurements in rotating blade-shape serpentine coolant passage with ribbed walls at high Reynolds numbers.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 136 (9), (2014).</li>
<li>Mayo, I., Arts, T., Ahmed, E. H., Parres, B. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1901686">Two-dimensional heat transfer distribution of a rotating ribbed channel at different Reynolds numbers.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 137 (3), (2015).</li>
<li>Chang, S. W., Yang, T. L., Liou, T. M., Fang, H. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431108003232">Heat transfer in rotating scale-roughened trapezoidal duct at high rotation numbers.</a> Applied Thermal Engineering. 29 (8), 1682-1693 (2009).</li>
<li>Liou, T. M., Chang, S. W., Chen, J. S., Yang, T. L., Lan, Y. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931009004190">Influence of channel aspect ratio on heat transfer in rotating rectangular ducts with skewed ribs at high rotation numbers.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (23), 5309-5322 (2009).</li>
<li>Huh, M., Liu, Y. H., Han, J. C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001793100900194X">Effect of rib height on heat transfer in a two pass rectangular channel (AR = 1:4) with a sharp entrance at high rotation numbers.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (19), 4635-4649 (2009).</li>
<li>Xu, G., Li, Y., Deng, H. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431115001192">Effect of rib spacing on heat transfer and friction in a rotating two-pass square channel with asymmetrical 90-deg rib turbulators.</a> Applied Thermal Engineering. 80 (5), 386-395 (2015).</li>
<li>Tao, Z., Yang, M., Deng, H., Li, H., Tian, S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431116309644">Heat transfer study in a rotating ribbed two-pass channel with engine-similar cross section at high rotation number.</a> Applied Thermal Engineering. 106 (5), 681-696 (2016).</li>
<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>
<li>Deng, H., Chen, Y., Tao, Z., Li, Y., Qiu, L. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931016313813">Heat transfer in a two-inlet rotating rectangular channel with side-wall fluid extraction.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 105 (2), 525-534 (2017).</li>
<li>You, R., Li, H., Tao, Z., Wei, K. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=2555232">Heat transfer investigation in a smooth rotating channel with thermography liquid crystal.</a> ASME Turbo Expo. GT2016-56413, Turbomachinery Technical Conference and Exposition: Heat Transfer. 5 (B), V05BT16A006 1~10(2016).</li>
<li>Morris, W. D., Chang, S. W. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931096003110">An experimental study of heat transfer in a simulated turbine blade cooling passage.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 40 (15), 3703-3716 (1997).</li>
<li>Chang, S. W., Liou, T. -M., Po, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001793100900684X">Coriolis and rotating buoyancy effect on detailed heat transfer distributions in a two-pass square channel roughened by 45° ribs at high rotation numbers.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 53 (7), 1349-1363 (2010).</li>
<li>Wang, W. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Heat+transfer+in+rotating+twin-pass+trapezoidal-sectioned+passage+with+two+opposite+walls+roughened+by+45+degree+ribs%22">Heat transfer in rotating twin-pass trapezoidal-sectioned passage with two opposite walls roughened by 45 degree ribs</a>. , Department of Marine Engineering, National Kaohsiung Marine University. Msc thesis (2006).</li>
<li>Chang, S. W., Wu, P. -S., Chen, C. -S., Weng, C. -C., Jiang, Y. -R., Shih, S. -H. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931017316459">Thermal performance of radially rotating two-pass S-shaped zig-zag channel.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 115 (B), 1011-1031 (2017).</li>
<li>Chang, S. W., Lees, A. W., Liou, T. -M., Hong, G. F. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1290072909002580">Heat transfer of a radially rotating furrowed channel with two opposite skewed sinusoidal wavy walls.</a> International Journal of Thermal Sciences. 49 (5), 769-785 (2010).</li>
<li>Chang, S. W., Liou, T. -M., Lee, T. -H. <a target="_blank" href="http://turbomachinery.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1694173">Heat transfer of a rotating rectangular channel with a diamond-shaped pin-fin array at high rotation numbers.</a> Journal of Turbomachinery Transactions of the ASME. 135 (4), 041007 1~10 (2013).</li>
<li>Morris, W. D., Chang, S. W. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/aeronautical-journal/article/heat-transfer-in-a-radially-rotating-smooth-walled-tube/2D6E3573B9F82039287464E247BB8C37">Heat transfer in a radially rotating smooth-walled tube.</a> The Aeronautical Journal. 102 (1015), 277-285 (1998).</li>
</ol>

著者が明らかに何もありません。

赤外線サーモグラフィを用いた回転チャネルの側壁温度が検出された一方、流体温度は熱電対によって測定されます。回転リグをドライブ AC モーターの代替の磁場は、熱電対測定を妨害する電気潜在性を誘導すると回転試験装置を駆動する DC モータを採用する必要があります。
温水チャネルの出口の平面に流体温度分布は均一ではありません。回転チャネルの既存の平面の少なくとも 5 つの熱電対は、ローカルの流体の出口温度を測定に適しています。特に、これらの熱電対の流路に取り付けられた流体の温度測定は、回転のテスト中に遠心力が適用されます。熱電対線は、簡単にホット チャンネル壁に向かって折り曲げられています。したがって、エントリの流体温度を測定するための被覆熱電対ケーブルが使用されます。フロー終了平面上いくつかの熱電対ビーズ メッシュ編みのメッシュは、回転のテスト条件下で定義済みの場所で流体の出口温度を検出するテスト チャネルの出口フランジ挟まれたことができます。
かなり回転回転チャネル、全視野熱転送データは、コリオリ力と浮力の効果を含める必要があり...

一方、熱力学の法律は、タービン エントリ温度を高めることによって改善された特定の電源とガスタービン エンジンの熱効率を決定、いくつかのホット エンジン部品、タービンブレードなどが熱損傷になりやすい。ガスタービン動翼の内部冷却ブレード材料のクリープ抵抗の温度限界を超えるタービン エントリ温度を許可します。ただし、内部の冷却チャネルの構成は翼形状を遵守しなければなりません。特に、クーラント回転動翼内。実行中のガスタービン動翼の過酷な温度条件がそのような効果的なブレード冷却方式は構造の整合性を確保することが重要です。したがって、回転チャネルの局所熱転送プロパティは、利用可能な限られた冷却水の流量の効率的利用のために重要。リアルなエンジン条件で内部冷却水通路の設計に適用される有用な熱転送データの取得が最優先の熱伝達特性の測定手法を開発しているとき、ガスタービン動翼内模擬冷却通路。
回転速度 10,000 rpm 以上でかなりガス タービン動翼列内部回転チャネルの冷却性能を変更します。エンジンについては、そのような回転チャネルの識別は、相似則を使用して許容です。回転、回転座標系を基準にして流れの方程式を派生することによって放射状回転チャネル内の移動現象を制御する無次元のグループが明らかにできます。モリス1派生として回転座標系を基準にして流れの運動量保存式を持ちます。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq1.jpg">(1)
式 (1) で、ローカルの流体の速度、 v̄、位置ベクトルとr̄、回転角速度ωフレームの基準は 2 (ω×v̄) の面でコリオリ加速度によって影響を受ける、分離求心力浮力力、 β(TTref) (ω×ω×r̄)、駆動圧電メトリック圧力勾配、 <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq16.jpg"> 、および流体の動粘性係数、 ν。参照されている流体の密度、 ρref、事前定義された流体参照温度Tref実験のためローカル流体雰囲気温度の典型的な呼ばれます。熱エネルギーに力学的エネルギーの不可逆がごくわずかの場合エネルギー方程式は次のものに削減されます。
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq2.jpg">(2)
式 (2) の最初の項は直接ローカル流体、温度T、一定の比熱、 Cp経由でに関連して特定のエンタルピーを処理して得られます。加熱回転チャネルにおける流体温度の変化に伴う流体の密度の摂動流体の運動に多大な影響を提供は、それは式 (1) の流体の速度で求心加速度とリンクするとき、自軸回転チャネルの温度フィールドが結合されています。また、コリオリと求心加速度変わる同時に、回転速度を調整しました。したがって、コリオリの力と回転流体の速度と温度のフィールドに及ぼす浮力の影響は自然に結合されています。
式 (1) と (2) 無次元フォーム回転チャネル内の熱対流を支配する流れのパラメーターを開示します。回転チャネル、ローカル流体のバルク温度Tbに課せられた基本的に均一熱流束 s Tref参照入口レベルから、縦方向に直線的に増加します。ローカル流体雰囲気温度はTref + τs、 τは、流れの方向に流体のバルク温度勾配として決定されます。次の無次元パラメーターの置換:
<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)
式 (1) と (2) として無次元の流れの運動量とエネルギーの方程式を導出するVを意味する、 Nとdは、それぞれ速度、回転速度、チャネル油圧直径平均流れの立つ、ところ式 (8) と (9) それぞれ。
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq8.jpg">(8)
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq9.jpg">(9)
明らかに、式 (9) でηはBu Ro、日時関数 = Ro2βτdRレイノルズ、回転および浮力番号とそれぞれ呼ばれます。慣性比を定量化するロスビー数コリオリ力は式 (8) で逆の回転数に相当します。
Tb Tref + 一様熱流束を受ける回転チャネルのτsとして計算する場合τ値はQfとしてまた評価されます/(mCpL)、 Q にf、 mとLは、対流加熱電源、クーラントの流量を質量し長さをそれぞれチャネルします。したがって、無次元のローカル流体雰囲気温度、 ηbがsと等しい/dとチャネルの壁、 ηw、無次元温度が得られます [(Tw-Tb )/Qf] [mCp] [L/d] +s/d。Qfとして定義された対流熱転送速度/(Tw-Tb)、ηbはηw- の無次元壁と流体温度差が暖房エリアとチャンネル断面積の無次元変位関数はどのζの方程式 (10) を介してローカルのヌセルト数に転換です。
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq10.jpg">(10)
定義済みの形状や流体力学的および熱的境界条件の設定、無次元回転チャネルのローカルのヌッセルト数を制御する、として識別されます。
<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)
実験、回転速度N調整と熱を生成するさまざまなRoデータ コリオリ力のさまざまな強みが必然的に変更ない求心加速度とこの相対的な強さ浮力を回転します。また、回転チャネルから収集された熱転送データのセットは常に有限の程度の浮力を回転します。熱伝達にコリオリ力と浮力の個々 の効果を明らかにする回転チャネルのパフォーマンスはRoとBuに及ぼすポスト データ処理手順ニュープロパティの連結を解くことを必要とします。現在の実験方法の包括的なです。
ガスタービン動翼の内部回転チャネルのエンジンと実験室のフロー条件は日時、 RoとBuの範囲で指定できます。クーラントの典型的なエンジンの状態は流れる建設と同様、ガスタービン動翼とモリス2 によって報告された実際のエンジンの状態に近い実行する実験をできる回転試験施設の試運転.モリス2によって要約されるリアルなエンジン条件に基づいて、図 1は、ガスタービン動翼の回転冷却剤チャネルの日時、 RoとBuの範囲の面で現実的な動作条件を構築します。図 1では、エンジンの最悪の状態の徴候をローターの最高速度と最高の密度比で走るエンジンと呼びます。図 1下限と最悪エンジン運転条件をそれぞれ最低と最高のエンジン スピードで出てくる。5000 と 20,000 rpm の間実際のエンジン速度で実行している回転チャネルの全視野Nu分布を測定する非常に困難です。しかし、相似則に基づき、実験室規模のテストを行った低回転速度ではなくリアルタイム エンジンの日時、 RoとBuの範囲の完全なカバレッジを提供するためにいくつかの試み。革新的な実験方法として NASA ホスト プログラム3,4,5,6採用で定義済みの日時に流体の密度を高めるため高圧テスト平均流速を抑えることでRo範囲を延長する順序です。この点で、ガス定数、 Rc粘度、 μと理想気体のため日時、 RoとBuの間の特定の関係と関連しています。
<img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq14.jpg">(14)
<img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq15.jpg">(15)
図 1、回転速度N、クーラント圧力 ( P) チャネル油圧直径、 d、回転半径、 Rエンジンの状態と公称対応に実験条件を持って来るとTb Tw- 壁と流体温度差は現実的な日時、 RoとBuの範囲に一致するために制御する必要があります。Roは2 dに比例して、明らかに、 Roの範囲を拡張する最も効果的な方法の 1 つはチャネル油圧直径を増やすことです。クーラント圧力 ( P)、 Roの範囲を拡張するために発生させる技術的に簡単で現実的なN研究室熱転送テストは非常に難しい、します。たとえPに比例のみです。この理論的な背景に基づいて、本実験方法のデザイン哲学は、回転リグに合わせて許可最大チャネル油圧直径を使用して回転のテスト チャネルを加圧Roを増やすことです。Ro範囲が増えた、 Buの範囲ではBuはRo2に比例、それに応じて拡張されます。図 1チャンネルを回転の熱転送データを生成する採用研究所テスト条件はまた含まれて3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29します。 利用可能な熱転送データによるリアルなエンジン条件の適用範囲はまだ限られ、特に必要なBu範囲の図 1で示したように。開くと図 1に描かれている色の固体のシンボルは、それぞれ指摘し全視野の熱伝達実験です。熱のほとんどがタービン ローター ブレード1,2,3,4,5,冷却装置でデータを転送する、図 1の収集、6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,20,21,22,23,24,25,26ポイントである熱電対法による測定。測定導電性の壁に壁の伝導効果熱・流体壁界面温度熱電対測定から変換された熱転送データの品質を損ないます。また、熱伝達測定1,2,3,4,5,6,7、 8,9,10、11,12,13,14,15,16,17,18,20,21,22,23,24,25,26熱電対法による回転表面上 2次元熱速度変動を検出できません。現在実験29,30,31,32回転チャネルの壁を越えて全視野ヌセルト数分布の検出は許容。壁の伝導効果でビオ番号 0.1 mm 厚ステンレス鋼箔の使用の最小化 &gt;&gt; 現在実験法による加熱電力を生成するための 1 により、冷却水の流量を暖房ホイルから一次元熱伝導。特に、 RoとBuの両方の効果を含む全視野熱転送データの取得は一時的な液晶技術と熱電対法を用いた許されない。現在定常液晶サーモグラフィ法19、検出温度範囲 35-55 ° C は、現実的な密度比の熱転送データの生成を無効にします。
だから回転チャネル内の熱対流を支配する流れパラメーターを使用して、図 1に見られるリアルなエンジンの状態の完全なカバレッジが達成されていないことを示すため、全視野熱を取得するための必要性でデータを転送します。リアルなエンジンの状態を継続的に主張されてきた。本実験的手法は、コリオリ力と検出回転浮力効果の全視野伝の生成を有効。 にします。プロトコルは、回転チャネルの現実的な全視野の熱伝達の測定に関連する、実験的戦略を考案する捜査官の支援を目指しています。パラメトリック解析実験法に固有のメソッドは、 Nuの分離と相互依存のRoとBuの効果を評価するため熱伝達相関式の生成を許可します。
フロー条件の現実的なガスタービン エンジンの状態のように回転チャネルの二次元熱転送データの生成ではるかに低い回転速度で動作を目指す実験方法を説明、研究所。回転速度、油圧直径テスト チャネルの導入で現実的なエンジンの状態でデータを示す熱伝達を取得するための壁と流体温度の相違の範囲を選択する手法。赤外線サーモグラフィにおける較正試験、熱損失キャリブレーション テストし、回転熱伝達試験装置の操作が表示されます。熱の重要な不確実性の要因測定とコリオリの力の分離のプロシージャに転送、回転チャネルの熱伝達特性に及ぼす浮力の影響は選択の資料に記載されて現在の実験方法を示す結果。

<table><tbody><tr><td>回転試験装置</td><td>自社製</td><td></td><td>本研究グループによる</td></tr><tr><td>設計 熱伝達試験モジュール</td><td>当社製</td><td></td><td>本研究グループによる設計</td></tr><tr><td>質量流量計</td><td>エルドライドプロダクト株式会社</td><td>3100301-01-01 359-1007</td><td></td></tr><tr><td>赤外線サーモグラフィー システム</td><td>NEC P384A-8</td><td>3100401-04 3127A-4</td><td></td></tr><tr><td>計装スリップ リング</td><td>ミシガン科学 SR36M</td><td>3100506-62 3553-372</td><td></td></tr></tbody></table>

連結を解くコリオリの力と全視野熱回転浮力の影響回転チャネルのプロパティを転送します。

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

軸回転チャネルの熱伝達特性を探索する手法を提案する.回転チャネル内の輸送現象を特徴付ける統治の流動パラメーターは回転フレームの参照を参照する運動量とエネルギーの方程式のパラメトリック解析によって確認されます。これらの無次元流れの方程式、テスト モジュールの設計にリンクする実験的戦略に基づく実験計画とデータ解析分離コリオリ力と熱浮力の影響を明らかにする試みを配合します。公演を転送します。コリオリの力と浮力を回転の効果は、さまざまなジオメトリを持つチャネルを回転から測定の選択結果を使用して説明します。流れ方向、チャネル形状、熱の配置と関連付けのユニークな熱転送署名が見つかったコリオリ力と回転浮力の影響は、回転のさまざまなチャネル間でいくつかの共通機能を共有、エンハンスメント デバイスを転送します。回転チャネルのフロー構成に関係なく提案の実験的手法により分離と相互依存のコリオリ力の評価を許可する物理的に一貫した熱伝達率相関式の開発と熱回転浮力の影響は、チャンネルの回転のプロパティを転送します。

日時、 RoとBuの面で回転ガスタービン動翼内内部冷却流の現実的な運用条件は、図 1のエミュレートされた研究室の条件と比較されます。データ ポイントは、プロトコル11,14,17,20,21に要約現在実験的メソッドを使用してリアルなエンジン状態に落ちる。全視野熱転送データが回転のチャンネルから測定データを転送する先の尖った熱よりも便利、以前の熱伝達実験のほとんどは熱電対法 (図 1) を採用します。赤外線サーモグラフィ法は、十分に発達した浮力流れの回転面から全視野熱転送情報を検出します。無料または強制対流外部、フローと静的またはテスト チャネル...

相互依存のコリオリ力と回転チャネルの全視野熱伝達分布回転浮力の影響を切り離すための実験方法を紹介します。

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

この方法は、鋳造タービンローターブレードの内部冷却に定格された多くを含む、熱伝達分野の主要な質問に答えることができます。この手法の主な利点は、収集された全フィールド熱伝達データと提案されたデータ削減方法です。これらは、コリオリの折り目と局所熱伝達特性上の回転浮力の個々のおよび相互依存的な効果を明らかにすることができる。この手順のデモンストレーションは、クオチンユー、ウェイリンカイ、ホンダシェンです。私の研究室の大学院生3人。このプロトコルでは、モータによって駆動されるシャフトから構成される回転リグを使用する必要があります。シャフトはテストモジュールを支える回転プラットフォームを運転する。また、回転バランスのためのカウンターウェイトを持っています。赤外線カメラは、テストモジュールをスキャンする位置にあります。データ収集に使用されるテストモジュールの機能は、この分解図の回路図に示されています。構築すると、Teflonフレーム、サイドウォール、ディバイダー、トッププレートとバックプレートは、S字型の入口と出口脚を持つ正方形の2つの過去のチャネルを定義するのに役立ちます。モジュールのベースは回転プラットフォームに取り付けます。実験中、ステンレス箔の端壁は加熱フラックスを生成するために電流を運びます。銅板は、ホイルを所定の位置に保持するのに役立ちます。空気プレナムチャンバーは、入口脚の中心線からわずかにベースを通って加圧空気の流れを供給します。最後に、出口の足からの排気はまた基盤を通る。一度組み立てられ、位置に、露出したホイルの端壁は回転の先端壁の先頭である。取り付けられたテストモジュールで、熱放射率を測定する準備をします。赤外線カメラとテストモジュールの間に加熱箔が掛け込みます。加熱のための電気接続を行います。テストモジュールに最も近いホイルの側面にアクセスします。ホイルの中央のその側に較正された熱電対を取り付けます。次に、箔のカメラ向き側に注意を向けます。熱電対の反対側に黒い塗料の薄い層を吹き付けて準備します。今、データ収集中に加熱ホイルでカメラを分離するためにエンクロージャを採用しています。電力を加熱ホイルに供給し、対称的なフローフィールドを作成します。システムが定常状態になったら、熱電対と赤外線サーモグラフィーで温度を測定します。異なるヒーターのパワーで測定を繰り返します。測定が完了したら、ホイルから熱電対を取り外します。リグを熱伝達試験の準備をします。これには、テストチャネルを加圧するための装置が含まれます。リグのバランスを確立するために、カウンターバランスの重みを調整する準備をしてください。まず、回転リグのスタティック バランシングを確認または確立します。達成されると、ローターは、それが設定されている任意の角度の位置に残ります。ダイナミック バランシングの場合は、目的の一定の速度でリグの回転を開始します。赤外線イメージングを開始し、キャプチャした画像を表示します。リグがダイナミックバランスでない場合、測定値からのサーモグラフィー画像は安定していません。ダイナミックバランスを実現するには、カウンターウェイトを徐々に調整します。動的バランスが達成されると、走行条件下で安定した熱画像が得られます。回転リグからテストモジュールを取り外し、ベンチに持ち込みます。次にモジュールのクーラントチャンネルにアクセスします。この場合、断熱材を使用できます。冷却剤チャネルを断熱材でテストモジュールに充填します。ここでは、プロトコルの次のステップに対してチャネルが十分に満たされます。テストモジュールを再組み立てし、リグに再マウントする準備をします。計器ケーブルのすべての電源を再接続します。テストモジュールを回転リグに戻し、加熱力を加え、測定条件を設定します。壁の温度を時間の経過とともに監視します(通常は3時間以上)。関心のある 2 つのポイントの温度は、熱画像の下にプロットされます。温度変動が0.3ケルビン未満の場合は、周囲温度とヒーターパワーで壁を記録します。加熱、回転速度、方向を体系的に変更しながら、複数の測定を行います。完了したら、再びリグに取り付ける前に、モジュールをベンチに戻して絶縁材を取り外します。次に、テストモジュールで熱伝達試験を行います。実験用に開発されたスプレッドシートを開始します。適切なセルで、テスト モジュールに関連付けられたジオメトリ パラメータを定義します。セットアップ時に、テストチャンネルにクーラントフローを開始します。スプレッドシートに、周囲温度と流体温度、冷却質量流量、大気圧、および測定された冷却水の静圧の測定値を入力します。ソフトウェアはレイノルズ数を計算し、それを表示します。希望のレイノルズ数でない場合は、冷却剤の質量流量を変更します。次に、測定されたパラメータを再入力して、新しいレイノルズ数を見つけます。レイノルズ数が確立された後、サーモグラフィーシステムをアクティブにします。次に、給電し、壁温度を設定するために加熱力を調整します。時間的な壁の温度プロファイルが平坦であることを確認して、温度が事前定義値で定常状態に達していることを確認します。スプレッドシートで、スキャンした領域の平均壁面温度を入力します。また、加熱電圧と加熱電流を入力します。基準計画テストでは、条件が設定されると、データを後処理用に保存します。回転熱伝達試験のために回転を開始するモーターを活性化することによって続ける。シャフトの回転速度をスプレッドシートに入力します。ソフトウェアは現在の条件の回転数を決定します。回転速度を調整して、目標とする回転数を取得します。定常状態で所望のレイノルズと表記数を達成するためには、クーラント流量を微調整する必要がある場合があります。回転速度と熱のパワーを数回。すべての回転熱伝導データを後処理用に保存します。実験パラメータの異なる値のデータを体系的に収集し続けます。異なるレイノルズ数の冷媒ストリームを持つSチャネルテストモジュールのこれらの画像では、渦によって誘導された遠心力によるヌッセレット数の空間的変動があります。これらのプロットは、Sチャネルモジュールの先端と後端の壁の面積平均熱伝達特性を反映しています。浮力数の関数としての静的なヌッセール数比への回転は、先端壁の下から上に行きます。後端の壁の場合、比率は 1 未満になることは決してありません。固定回転数とレイノルズ数が異なる場合、正規化されたヌッセールの数値は小さな範囲で異なります。チャネルの種類によって動作が異なります。特定の回転数に対して、浮力ゼロへの補外は、コリオリの力による熱伝達レベルを、先頭壁の浮力を消失させます。同様の分析は、後続の壁に対して機能します。ここでは、異なるチャネルジオメトリの回転数の関数として、浮力消失時の静的なヌッセート数比への回転の変動を示します。データは、領域上の非結合コリオリ力の効果を明らかにし、前部および後縁端の壁の平均熱伝達特性を示した。これらのデータは、回転数依存する回転チャネルの熱伝達特性に対する浮力数の影響を示す。したがって、この方法は、鋳造タービンローターブレード内の回転チャネルの冷却性能に関する洞察を提供することができます。また、豊富なコアモータの冷却の成熟などの他のシステムにも適用できます。一般的に、回転面からの熱伝達測定が困難であるため、この方法またはサイクルに新しい個人が使用される。一度習得すれば、この技術は、それが適切に行われれば100時間で行うことができます。この手順を試みる間、常にクーラントフロー漏れをチェックすることを忘れないでください。その開発後、この技術は、鋳造タービンエンジンの分野の研究者がローターブレードの完全なフィールドNusselt番号分布を探求する道を開きます。このビデオを見た後、あなたは、回転チャネルの特性とタービンローターブレードをキャストするアプリケーションのための完全なフィールドエージェントにコリオリフォールドと回転浮力の影響を切り離す方法をよく理解する必要があります。

uncoupling-coriolis-force-rotating-buoyancy-effects-on-full-field

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JoVE Journal

Engineering

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連結を解くコリオリの力と全視野熱回転浮力の影響回転チャネルのプロパティを転送します。

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