Rozprzęganie wpływu siły Coriolisa i wirującego wyporu na właściwości wymiany ciepła w pełnym polu obracającego się kanału
5 października 2018
Tutaj prezentujemy eksperymentalną metodę rozdzielania współzależnej siły Coriolisa i wyporu obrotowego na rozkłady wymiany ciepła w pełnym polu obracającego się kanału.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie wymiany ciepła, w tym wiele z nich przeznaczonych do wewnętrznego chłodzenia odlewanych łopat wirnika turbiny. Główną zaletą tej techniki jest zebranie pełnych danych o wymianie ciepła w polu oraz proponowana metoda redukcji danych. Są one w stanie ujawnić indywidualny i współzależny wpływ fałdów Coriolisa i wyporu obrotowego na lokalne właściwości wymiany ciepła.
Procedurę zademonstrują Kuo-Ching Yu, Wei-Ling Cai i Hong-Da Shen. Troje doktorantów z mojego laboratorium. Protokół wymaga użycia obrotowej platformy, która składa się z wału napędzanego silnikiem.
Wał napędza obrotową platformę, która podtrzymuje moduł testowy. Posiada również przeciwwagę do równoważenia obrotowego. Kamera na podczerwień jest w stanie zeskanować moduł testowy.
Cechy modułu testowego wykorzystywanego do zbierania danych są przedstawione na tym schemacie widoku rozstrzelonego. Po zbudowaniu teflonowa rama, ściany boczne, przegrody oraz górna i tylna płyta pomagają zdefiniować kwadrat dwa poprzednie kanały z nogami wlotowymi i wylotowymi w kształcie litery S. Podstawa modułu mocowana jest do platformy obrotowej.
Podczas eksperymentów ścianki końcowe folii ze stali nierdzewnej przewodzą prąd w celu wytworzenia strumienia grzewczego. Miedziane płytki pomagają utrzymać folię na miejscu. Komora powietrzna dostarcza przepływ sprężonego powietrza przez podstawę nieco poza linią środkową nogi wlotowej.
Wreszcie spaliny z nogi wylotowej przechodzą również przez podstawę. Po zmontowaniu i ustawieniu na miejscu, odsłonięta ścianka końcowa folii jest wiodącą ścianką końcową w obrocie. Przy zamontowanym module testowym przygotuj się do pomiaru emisyjności cieplnej.
Pomiędzy kamerą termowizyjną a modułem testowym wisi folia grzewcza. Wykonać połączenia elektryczne do ogrzewania. Uzyskaj dostęp do strony folii znajdującej się najbliżej modułu testowego.
Po tej stronie na środku folii zainstaluj skalibrowaną termoparę. Następnie zwróć uwagę na kamerę skierowaną w stronę folii. Przygotuj tę stronę przeciwną do termopary, rozpylając na nią cienką warstwę czarnej farby.
Teraz wykorzystuje obudowę do izolowania kamery w folii grzewczej podczas zbierania danych. Poprowadź energię elektryczną do folii grzewczej, aby wytworzyć symetryczne pole przepływu. Gdy system znajdzie się w stanie ustalonym, zmierz temperaturę za pomocą termopary i termografii w podczerwieni.
Powtórz pomiar z różnymi mocami grzałki. Po zakończeniu pomiarów wyjmij termoparę z folii. Przygotuj platformę do wykonywania testów wymiany ciepła.
Obejmuje to urządzenia do zwiększania ciśnienia w kanale testowym. Przygotuj się na wyregulowanie ciężaru równoważącego, aby zapewnić równowagę zestawu. Najpierw sprawdź lub ustal wyważenie statyczne obracającej się platformy.
Po osiągnięciu tego celu wirnik pozostanie w dowolnej pozycji kątowej, w której jest ustawiony. Aby uzyskać dynamiczne wyważenie, uruchom platformę obracającą się z żądaną stałą prędkością. Rozpocznij obrazowanie w podczerwieni i wyświetl przechwycone obrazy.
Gdy platforma nie jest w równowadze dynamicznej, obraz termograficzny z pomiarów nie jest stabilny. Aby uzyskać równowagę dynamiczną, stopniowo reguluj przeciwwagę. Gdy zostanie osiągnięta równowaga dynamiczna, obraz termiczny będzie stabilny w warunkach pracy.
Wyjmij moduł testowy z obracającego się stanowiska i przenieś go na stół. Następnie uzyskaj dostęp do kanału chłodziwa modułów. Miej pod ręką materiał termoizolacyjny, w tym przypadku włókno izolacyjne.
Napełnij kanał chłodziwa do modułu testowego izolacją termiczną. W tym przypadku kanał jest wypełniony na tyle, aby można było wykonać kolejne kroki w protokole. Zmontuj moduł testowy i przygotuj go do ponownego montażu na platformie.
Podłącz ponownie wszystkie zasilające w instrumencie. Umieść moduł testowy z powrotem na obrotowym stanowisku, zastosuj moc grzewczą i ustaw warunki pomiaru. Monitoruj temperaturę ściany w czasie, zwykle dłużej niż trzy godziny.
Temperatury w dwóch interesujących punktach czasowych są wykreślane poniżej obrazu termicznego. Gdy różnica temperatury jest mniejsza niż 0.3 kelwina, zapisz ścianę w temperaturach otoczenia i mocy grzejnika. Wykonuj wiele pomiarów, systematycznie zmieniając ogrzewanie, prędkość obrotową i kierunek
.Po zakończeniu zabierz moduł z powrotem na ławkę, aby usunąć materiał izolacyjny przed ponownym zamontowaniem go na platformie. Następnie wykonaj test wymiany ciepła za pomocą modułu testowego. Uruchom arkusz kalkulacyjny opracowany na potrzeby eksperymentu.
W odpowiednich komórkach zdefiniuj parametry geometryczne skojarzone z modułem testowym. Po ustawieniu uruchom przepływ chłodziwa do kanału testowego. W arkuszu kalkulacyjnym wprowadź zmierzone wartości temperatury otoczenia i płynu, masowego natężenia przepływu płynu chłodzącego, ciśnienia atmosferycznego i zmierzonego ciśnienia statycznego płynu chłodzącego.
Oprogramowanie oblicza liczbę Reynoldsa i wyświetla ją. Jeśli nie jest to pożądana liczba Reynoldsa, zmień masowe natężenie przepływu chłodziwa. Następnie ponownie wprowadź zmierzone parametry, aby znaleźć nową liczbę Reynoldsa.
Po ustaleniu liczby Reynoldsa aktywuj system termografii. Następnie podaj i wyreguluj moc grzewczą, aby ustawić temperaturę ściany. Sprawdź, czy temperatura osiągnęła stan ustalony przy wstępnie zdefiniowanej wartości, sprawdzając, czy profil temperatury ściany czasowej jest płaski.
W arkuszu kalkulacyjnym wprowadź uśrednioną temperaturę ścian na skanowanym obszarze. Wprowadź również napięcie ogrzewania i prąd ogrzewania. W przypadku testów bazowych po ustawieniu warunków zapisz dane do przetwarzania końcowego.
W przypadku testu obracającej się wymiany ciepła kontynuuj, aktywując silnik, aby rozpocząć obrót. Wprowadź prędkość obrotową wału do arkusza kalkulacyjnego. Oprogramowanie określi liczbę obrotów dla aktualnych warunków.
Dostosuj prędkość obrotową, aby uzyskać docelową liczbę obrotów. Aby osiągnąć pożądane liczby Reynoldsa i notacje w stanie ustalonym, może być konieczne precyzyjne dostrojenie natężenia przepływu chłodziwa. Prędkość obrotowa i kilkakrotnie nagrzewaj moc.
Zapisz wszystkie obracające się dane wymiany ciepła do przetwarzania końcowego. Kontynuuj systematyczne gromadzenie danych dla różnych wartości parametrów doświadczalnych. Na tych zdjęciach modułu testowego kanału S ze strumieniami chłodziwa o różnych liczbach Reynoldsa występuje przestrzenna zmienność liczb Nusselta spowodowana siłami odśrodkowymi indukowanymi przez wiry.
Wykresy te odzwierciedlają powierzchniowe uśrednione właściwości wymiany ciepła na wiodących i spływających ścianach końcowych modułu kanału S. Stosunek rotacji do statycznej liczby Nusselta w funkcji liczby wyporu przechodzi od dołu do powyżej jednego dla ściany krawędzi natarcia. W przypadku ściany krawędzi spływu stosunek nigdy nie jest mniejszy niż jeden.
Należy zauważyć, że w przypadku stałej liczby obrotu i różnych liczb Reynoldsa, znormalizowane liczby Nusselta różnią się w małym zakresie. Różne typy kanałów zachowują się w różny sposób. Dla danej liczby obrotu ekstrapolacja do zera wyporu daje poziom wymiany ciepła spowodowany siłami Coriolisa o zanikającej wyporze dla ściany prowadzącej.
Podobna analiza działa w przypadku ściany spływu. Oto zmiana stosunku rotacji do statycznej liczby Nusselta przy zanikającej wyporze w funkcji liczby rotacji dla różnych geometrii kanałów. Dane ujawniły, że niesprzężony wpływ siły Coriolisa na obszar uśrednił właściwości wymiany ciepła ścian czołowych krawędzi natarcia i spływu.
Dane te pokazują, że wpływ liczby wyporu na właściwości wymiany ciepła obracającego się kanału jest zależny od liczby obrotowej. Tak więc ta metoda może zapewnić wgląd w wydajność chłodzenia obracającego się kanału wewnątrz odlewanej łopaty wirnika turbiny. Może być również stosowany w innych systemach, takich jak dojrzałe chłodzenie silnika z bogatym rdzeniem.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie lub cyklu, ponieważ pomiar wymiany ciepła z obracającej się powierzchni jest trudny. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w 100 godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o ciągłym sprawdzaniu, czy nie ma wycieków z przepływu płynu chłodzącego.
Po opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się odlewanymi silnikami turbinowymi do zbadania pełnego zakresu rozkładów liczby Nusselta w łopatach wirnika. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak rozłączyć efekty fałdów Coriolisa i wyporu obrotowego na czynniki pełnopolowe dla właściwości obracających się kanałów i zastosowań do odlewania łopat wirnika turbiny.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę eksperymentalną służącą do rozdzielenia wzajemnie zależnych efektów siły Coriolisa i wyporności w układzie rotującym, wpływających na rozkład wymiany ciepła w kanale obrotowym. Metoda ta ma na celu dostarczenie informacji na temat wewnętrznego chłodzenia odlewanych łopatek wirnika turbiny.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Przenoszenie ciepła
- Dynamika płynów
- Inżynieria termiczna
Wstęp
- Zrozumienie mechanizmów przekazywania ciepła jest kluczowe dla zwiększenia sprawności turbin.
- Siła Coriolisa i rotacyjna wyporność znacząco wpływają na właściwości przekazywania ciepła.
- Istniejące metody mogą nie w pełni oddawać te współzależne efekty.
- Niniejsze badanie ma na celu wypełnienie tych luk poprzez zastosowanie nowatorskiego podejścia eksperymentalnego.
Cel badania
- Opracowanie metody izolacji efektów siły Coriolisa oraz obrotowej wyporności.
- Zebranie pełnych danych dotyczących wymiany ciepła w całym polu.
- Pogłębienie zrozumienia lokalnych właściwości wymiany ciepła w układach rotacyjnych.
Zastosowane Metody
- Wykorzystanie zestawu rotacyjnego napędzanego silnikiem.
- Zbieranie pełnych danych dotyczących wymiany ciepła.
- Wdrożenie proponowanej metody redukcji danych.
- Prezentacja procedury przez studentów studiów doktoranckich z laboratorium.
Główne wyniki
- Skuteczne rozdzielenie efektów Coriolisa i wyporności w odniesieniu do wymiany ciepła.
- Ujawnienie poszczególnych wkładów w lokalne właściwości wymiany ciepła.
- Dostarczenie kompleksowego zbioru danych do dalszej analizy.
- Wykazanie skuteczności proponowanej metody.
Wnioski
- Metoda ta oferuje nowe podejście do badania wymiany ciepła w układach obrotowych.
- Może ona w znacznym stopniu przyczynić się do projektowania bardziej wydajnych łopatek turbin.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej technice w celu zbadania dodatkowych zastosowań.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ta metoda eksperymentalna umożliwia wyizolowanie wpływu siły Coriolisa oraz efektów wyporności w układzie rotującym na wymianę ciepła w kanałach obrotowych, dostarczając kluczowych informacji dla zarządzania termicznego w łopatkach wirnika turbiny. Poprzez rozdzielenie tych współzależnych zjawisk dynamiki płynów, podejście to wspiera modelowanie predykcyjne wydajności chłodzenia w wysokotemperaturowych układach rotujących. Wynikowe korelacje wymiany ciepła ułatwiają podejmowanie decyzji projektowych z uwzględnieniem analizy ryzyka w programach rozwoju turbomaszyn.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących transportu cieplnego w kontrolowanych warunkach przepływu rotacyjnego.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne mapowanie pełnego pola liczby Nusselta w celu minimalizacji ryzyka termicznego komponentów obrotowych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe, rozdzielcze przestrzennie dane dotyczące przekazywania ciepła do walidacji strategii zwiększania wydajności chłodzenia.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje ocenę właściwości termicznych dla różnych parametrów obrotu i wyporności.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera ekstrapolację izolowanych efektów Coriolisa do stanu zerowej wyporności w celu mechanistycznego modelowania termicznego.
- Wartość operacyjna: Umożliwia zachowanie ciągłości przejścia od testów w wirujących kanałach w skali laboratoryjnej do walidacji termicznej istotnej dla turbin.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wprowadza charakterystykę termiczną do wczesnego etapu odkryć, umożliwiając ocenę wpływu przepływu rotacyjnego na wymianę ciepła w oparciu o postawione hipotezy, co stanowi podstawę do późniejszego projektowania systemów chłodzenia.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w badaniu ścieżek transportu cieplnego w układach rotacyjnych poprzez testowanie odizolowanych zmiennych.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowych do analizy, rozdzielczych przestrzennie odczytów termicznych przy kontrolowanych liczbach Reynoldsa i rotacji.
- Analityka: Generuje średnie powierzchniowe oraz lokalne stosunki liczby Nusselta do analizy porównawczej wydajności termicznej.
- Badania translacyjne: Łączy dane z rotujących kanałów w skali laboratoryjnej z walidacją chłodzenia łopatek turbiny za pomocą korelacji zależnych od liczby wyporu.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielorazową platformę charakterystyki termicznej do iteracyjnej optymalizacji geometrii chłodzenia.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Pewność predykcyjna w modelowaniu termicznym dzięki ilościowemu określeniu rozdzielonych efektów Coriolisa i wyporu.
- Wartość operacyjna: Powtarzalny protokół obrazowania termicznego całego pola i redukcji danych dla znormalizowanych testów.
- Wartość strategiczna: Wsparcie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) w projektowaniu chłodzenia turbin poprzez zmniejszenie niepewności dotyczącej wydajności termicznej.
- Wpływ na portfolio: Umożliwienie priorytetyzacji geometrii chłodzenia z uwzględnieniem ryzyka na podstawie wyizolowanych efektów przepływu rotacyjnego.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu termodynamiki i mechaniki płynów, termografii w podczerwieni oraz obsługi platformy rotacyjnej.
- Metoda jest uzależniona od precyzyjnej aparatury, w tym wału napędzanego silnikiem, przeciwwag stabilizujących oraz skalibrowanych termopar.
- Konieczna jest standaryzacja montażu modułu testowego, protokołu grzania oraz weryfikacji wyważenia dynamicznego pomiędzy zespołami.
- Należy uwzględnić kwestie adaptacji geometrii kanałów, konfiguracji wlotów/wylotów oraz rozmieszczenia elementów zwiększających wymianę ciepła.
- Ograniczenia praktyczne obejmują wrażliwość na nieszczelności przepływu chłodziwa oraz konieczność prowadzenia długotrwałego monitorowania stanu ustalonego (>3 hours).
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:44
The Rotating Rig Setup and the Heat Transfer Test Module
2:01
Collecting Data to Determine the Thermal Emissivity Coefficient for the Infrared Thermography System
3:06
Dynamic Balancing of the Rotating Rig
4:02
Evaluation of Heat Loss Coefficients
5:19
Baseline and Rotating Heat Transfer Tests
7:22
Results: Examples of Decoupling Coriolis and Rotating Buoyancy Effects in Rotating Channels
8:56
Conclusion
