Summary
在这里, 我们提出了一个实验方法, 以解耦的科里奥利力和旋转浮力效应的全场传热分布的旋转通道。
Abstract
提出了一种探索轴向旋转通道传热特性的实验方法。通过对旋转参照系的动量和能量方程的参数分析, 确定了旋转通道中传输现象的特征控制流参数。基于这些无量纲流方程, 提出了将测试模块的设计、实验程序和数据分析联系在一起的实验策略, 试图揭示出孤立的科里奥利力和浮力对热的影响。传输性能。利用不同几何形状旋转通道测量的选择性结果, 说明了科里奥利力和旋转浮力的影响。在不同的旋转通道中, 科里奥利力和旋转浮力的影响具有几个共同的特征, 而与流动方向、通道形状和热布置的关系则发现了独特的传热特征。传输增强设备。无论旋转通道的流动配置如何, 所提出的实验方法都能使物理一致性的传热相关性得到发展, 从而能够对分离和相互依存的科里奥利力进行评估, 并旋转浮力对旋转通道传热性能的影响。
Introduction
当热力学定律通过提高涡轮进入温度来决定燃气轮机发动机的特定功率和热效率时, 一些热引擎部件, 如涡轮叶片, 容易受到热损伤。燃气轮机转子叶片的内部冷却允许涡轮进入温度超过叶片材料的蠕变阻力的温度限制。但是, 内部冷却通道的配置必须符合刀片式服务器的配置文件。特别是, 冷却剂在转子叶片内旋转。对于运行中的燃气轮机转子叶片具有如此苛刻的热工况, 有效的叶片冷却方案对于保证结构的完整性至关重要。因此, 旋转通道的局部传热特性对于有效利用有限的冷却液流是很重要的。在实际的发动机条件下, 获得适用于内部冷却通道设计的有用的传热数据, 对于测量某一模拟冷却通道内的燃气轮机转子叶片。
转速在 1万 rpm 以上的旋转大大改变了燃气轮机转子叶片内旋转通道的冷却性能。这种旋转通道的发动机条件的识别是允许使用相似定律。旋转时, 通过推导相对于旋转参照系的流动方程, 可以揭示控制径向旋转通道内传输现象的无量纲群。莫里斯1导出了相对于旋转参照系的动量守恒方程:
(1)
在方程 (1) 中, 局部流体速度, v̄, 与位置向量, r̄相对于一个参考框架旋转的角度速度, ω, 受科氏加速度的影响, 从 2 (ωxv̄),解耦向心浮力, β(ttref) (ωxωxr̄), 驱动压电-公制压力梯度
, 和流体动态粘度, ν。参考流体密度, ρref, 被称为预定义流体参考温度T参考, 这是典型的局部流体体积温度的实验。如果机械能的不可逆转的转换到热能是微不足道的, 能量守恒等式减少到:
(2)
第一项方程 (2) 是通过处理特定焓直接与局部流体温度, T, 通过恒定比热, Cp得到的。由于加热旋转通道中流体温度变化引起的流体密度扰动, 对流体在方程 (1) 中与向心加速度连接时, 流体的运动速度和轴向旋转通道中的温度场耦合。同时, 在调整转速的同时, 科里奥利和向心加速度也随之变化。因此, 科里奥利力和旋转浮力对流体速度和温度场的影响是自然耦合的。
无量纲形式的方程 (1) 和 (2) 揭示了控制旋转通道内热对流的流动参数。在旋转通道上采用基本均匀热流, 局部流体体积温度, tb, 在流向方向上线性增加, s, 从参考入口水平, tref。局部流体体积温度被确定为Tref + τs, 其中τ是流体体积温度在流动方向上的梯度。下列无量纲参数的替换:
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
在方程 (1) 和 (2) 中, V均值、 N和d分别代表流速、旋转速度和通道水力直径的平均流, 导出无量纲流动量和能量方程, 作为方程 (8) 和 (9) 分别。
(8)
(9)
显然, 方程 (9) 中的η是反渗透2βτdR的函数, 分别被称为雷诺、旋转和浮力数. 将惯性和科里奥利力的比值量化的罗斯贝波数字等价于等式 (8) 中的逆旋转数。
当tb 在旋转通道中被计算为tref + τs的情况下, 受均匀热流的作用, τ值可以作为qf/(mCpL) 进行评价. f、 m和L分别为对流加热功率、冷却液质量流量和通道长度。因此, 无量纲局部流体体积温度, ηb, 等于s/d和通道壁上的无量纲温度, ηw, 屈服 [(twtb )/Qf] [mCp] [L/d] +s/d。随着对流换热速率的定义为Qf/(twtb), 无量纲壁-流体温差, ηwηb, 是通过方程 (10) 可转换成局部努塞尔数, 其中ζ为加热区和通道截面积的无量纲形函数。
(10)
用一组预定义的几何图形和水动力和热边界条件, 确定了控制旋转通道局部努塞尔数的无量纲群:
(11)
(12)
(13)
通过实验测试, 调整转速, N, 为不同的Ro产生传热数据的科氏力的各种力量不可避免地改变向心加速度, 从而, 相对强度的旋转浮力。此外, 从旋转通道收集的一组传热数据总是受有限程度的旋转浮力效应的影响。为了揭示科里奥利力和浮力对旋转通道传热性能的影响, 需要通过后处理程序将Ro和布对其性能的影响解耦 ,是包含在目前的实验方法。
燃气轮机转子叶片内旋转通道的发动机和实验室流动条件可由Re、 Ro和步进的范围指定。莫里斯2报告了通过燃气轮机转子叶片冷却液流动的典型发动机条件, 以及允许在实际发动机条件附近进行实验的旋转试验装置的建造和调试..根据莫里斯2总结的现实引擎条件,图 1构造了燃气轮机转子叶片旋转冷却器通道的Re、 Ro和步进范围的实际操作条件。在图 1中, 发动机最坏情况的指示被称为发动机运行状态的最高转速和最高密度比。在图 1中, 较低的极限和最坏的发动机运行条件分别出现在最低和最高的发动机速度。在5000到 2万 rpm 的情况下, 测量一个旋转通道的全速运行速度是非常困难的。然而, 基于相似性定律, 实验室规模的测试已经进行了在减少的转速, 但有几个尝试, 以提供全面覆盖的实际发动机Re, Ro和步范围。作为一种创新的实验方法, 美国宇航局3、4、5、6的主机项目采用高压试验, 在预定的Re中增加流体密度。为了通过降低平均流体速度来扩展Ro范围。在这方面,稀土、 Ro和布的具体关系, 气体常数, Rc和粘度, μ的理想气体, 是相关的:
(14)
(15)
为使实验室条件进入与发动机条件的标称对应,如图 1所示, 转速、 N、冷却液压力、 P、通道水力直径、 d、旋转半径、 R和壁-液温差, ttb, 需要控制, 以配合实际的Re, Ro和步范围。显然, 扩大ro范围的最有效方法之一是增加通道水力直径, 因为ro与d2成正比。由于实验室传热试验在现实的N是非常困难的, 冷却剂压力, P, 在技术上更容易提高, 以扩大Ro范围;即使Ro与P成正比。基于这一理论背景, 本实验方法的设计理念是通过对旋转试验通道的最大通道水力直径进行加压, 提高Ro的性能。随着ro范围的增加,步进的范围也随之扩展, 因为步进与ro2成正比。在图 1中, 所采用的实验室测试条件产生的旋转通道的传热数据也包括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. 如图 1所示, 现有的传热数据对现实引擎条件的覆盖率仍然有限, 特别是在所需的步进范围内。图 1中所描述的开放和有色固体符号分别是尖和全场传热实验。如图 1所示, 大部分的传热数据与冷却应用到燃气轮机转子叶片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是点测量使用热电偶方法。墙体传导效应对测量墙体导电热流和流体壁面温度的影响, 破坏了热电偶测量转换后的传热数据质量。此外, 传热测量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使用热电偶方法不能检测旋转表面的二维传热变化。利用现有的实验方法29、30、31、32, 对旋转通道壁上的全场努塞尔数分布进行检测是允许的。用0.1 毫米厚的不锈钢箔与毕号 > > 1 的壁传导效应最小化, 通过本实验方法产生加热功率, 允许从加热箔到冷却液流的一维导热。特别是, 采用瞬态液晶技术和热电偶法, 不允许获得涉及Ro和步进效应的全场传热数据。采用目前稳态液晶热成像方法19, 可检测到的温度范围为35-55 摄氏度, 使传热数据的生成具有逼真的密度比。
利用流动参数控制旋转通道内的热对流, 以证明图 1中所见的真实引擎条件的完全覆盖尚未实现, 因此需要获取全场热传输数据现实的发动机条件不断敦促。本实验方法能同时检测到科里奥利力和旋转浮力效应, 产生全场传热。这些议定书的目的是协助调查人员设计一个与实际的旋转通道的全场传热测量有关的实验策略。与目前实验方法所独有的参数分析方法一样, 允许对对其分离和相互依存的反渗透和布效应进行传热相关性的生成.
本文介绍了一种实验方法, 旨在产生与实际燃气轮机发动机条件类似的流动条件的旋转通道的二维传热数据, 但在更低的转速下运行实验室。介绍了在实际发动机条件下获取传热数据时, 选择转速、试验通道的水力直径和壁-液温度差范围的方法。介绍了红外热成像系统的标定试验、热损标定试验和旋转传热试验台的运行情况。本文介绍了引起传热测量的重要不确定因素, 以及科里奥利力和浮力对旋转通道传热特性的解耦过程, 并以选择性结果表明了目前的实验方法。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
注: 旋转测试设施、数据采集、数据处理和模拟燃气轮机转子叶片内部冷却通道的传热测试模块的详细信息在我们以前的工作29,30,31 ,32。
1. 传热试验的准备
- 根据燃气轮机转子叶片的目标操作条件, 从稀土、 Ro和步进等方面制定实验条件。
- 用方程 (14) 和 (15) 确定所需的N、 P、 d、 R和t b , 以获得所测试的Re、 Ro和布。
- 如果N、 P、 d、 R和t b 超过实验设施的极限, 则重新定义目标重、 Ro和步进。
- 在燃气轮机转子叶片2中模拟实际的内部冷却液通道, 设计和构建了规模的传热试验模块。
2. 红外热成像系统散热系数的确定
- 在扫描过的不锈钢加热箔的背面安装校准热电偶。
- 在红外摄像机扫描的不锈钢加热箔上喷涂一层薄薄的黑色油漆。
- 在不锈钢加热箔的两面建立对称的流场, 将垂直的薄不锈钢箔放在一个空间内, 并在垂直加热箔的两面上自由对流流动。
- 通过加热箔, 通过热电偶和红外热成像系统, 在稳态状态下, 将电加热功率通过热铝箔同时测量温度。
- 使用高加热器功率重复步骤2.4 至少四次。确保与步骤2.3 和2.4 所使用的加热器功率对应的壁温度覆盖由步骤1.2 确定的Tw 范围。
- 计算由红外热成像系统扫描的Tw值, 使用一系列的选择性热发射率系数, 用于将红外信号转换为温度数据的程序。
- 比较了校准热电偶和红外热成像系统在与热电偶点对应的位置上测量的Tw 数据, 并对标准偏差进行了评价。
- 选取由步骤2.7 确定的最小标准偏差的热发射率系数。
- 用步骤2.8 确定的热发射率系数确定红外热成像系统的最大精度误差。
3. 旋转钻机动平衡
- 在旋转钻机上安装传热测试模块、红外摄像机、包络框架和所有配件。
- 逐步调整制衡重量, 直到旋转钻机的运行状态满足红外红外测量的振动限制, 在计算机显示器上展示稳定的热图像。
4. 热损失系数的评定
- 用保温材料填充传热试验模块的冷却液通道。
- 通过在旋转平台上安装测试模块, 并连接加热器电源和所有仪器电缆, 在旋转测试台上装入填充测试模块。
- 激活数据采集系统, 对加热功率的时间Tw 变化进行扫描, 直到满足稳态状态。确保连续扫描期间的时间Tw 变化在每个稳态状态下小于 +0.3 K。
- 记录加热器功率, 稳态tw 数据和相应的环境温度, T∞。
- 重复步骤4.3 和4.4 至少五次使用不同的加热功率在一个固定的转速。
- 重复步骤 4.2-4.4, 至少有五的转速。确保旋转速度的测试范围涵盖步骤1.2 确定的所有N值。
- 重复步骤 4.3-4.6 与反向旋转方向。
- 在每个转速下, 构造出与壁-环境温差差有关的热损失通量图。
- 将热损失系数与壁温差、转速和旋转方向的函数相关。
- 将热损失相关信息纳入了对女会计的岗位数据处理程序。
5. 基线传热试验
- 通过向测试模块提供冷却液流和加热器功率, 在零转速 (Ro = N = 0) 的目标雷诺数处进行传热试验。确保提供的冷却剂质量流量不断调整, 以控制雷诺数在流动进入平面的目标值。
- 记录所有相关的原始数据, 包括稳态壁温、流体温度、加热器功率、流量压力和环境压力和温度, 用于后续数据处理。
- 在扫描的静态通道壁上评估局部和面积平均努塞尔数 (女0)。
6. 旋转传热试验
- 安装在线监测程序, 以监测目标Re和Ro的测试条件。
- 将实测的冷却液质量流量、气流压力、转速和液温在通道入口进监测程序中, 计算瞬时Re和Ro。
- 记录所有相关的原始数据, 如转速, 加热器功率, 气流和环境压力, 以及在预定的稳态条件满足后的后续数据处理的壁和流体温度。
- 重复步骤6.2 和 6.3, 至少有四升或降加热器功率在一组固定的Re和Ro。通过调整转速或冷却剂质量流速或两者, 确保测试Re和Ro与目标值±1% 差异。
- 确保随着浮力诱导流的发展与流动发展的 "历史" 相关联, 在不同加热器功率的固定Re和反渗透装置上连续进行传热试验。
- 重复步骤6.4 和 6.5, 以四或五为目标雷诺数 (Re) 在一个固定的旋转号码 (Ro)。确保在每个测试重新调整转速, 以控制±1% 差异中的目标值的re和Ro 。
- 重复步骤 6.6, 使用四或五目标旋转数字 (Ro)。
- 重复步骤6.2 到 6.7, 反转旋转方向。
- 使用后数据处理程序, 对扫描的旋转通道壁上的局部和面积平均努塞尔数进行评估。
7. 参数分析
- 将从静态通道收集到的面积平均努塞尔数 (0) 与雷诺数的函数相关。
- 在每个固定Re和Ro测试中, 评估全场局部的0 比值, 并计算出面积平均的女/女0 比值.
- 通过绘制不同re但在同一Ro上的局部和面积平均的0 比, 验证了隔离re效应的适用性。
- 通过绘制不同Re在同一Ro上收集的面积平均的0 比, 揭示旋转浮力对旋转试验通道传热特性的孤立影响对步或密度比率 (Δρ/ρ)。确保更好地选择ρ或Δρ , 构造这种类型的地块, 以获得一致的数据趋势与一个简单的功能结构, 传热相关.
- 推断每一个0 的数据趋势收集在固定Ro , 但不同的重新进入限制条件的布→0或Δρ/ρ→0。
- 收集所有的外推女/女0 结果与→0或Δρ/ρ→0在所有测试Ro。
- 剧情推断的怒/怒0 结果与消失的浮力相互作用反对Ro揭示不耦合的科里奥利力影响对传热性能。
- 将步骤7.4 和7.7 所收集的测试结果与Ro和卜的功能关联起来。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
与图 1所示的模拟实验室条件相比, 旋转燃气轮机叶片内部冷却液流动的实际操作条件是从Re、 Ro和步进。数据点下落在现实引擎情况使用当前实验方法总结在协议11,14,17,20,21。虽然全场传热数据比从旋转通道测量的尖传热数据更有用, 但以往的大部分传热实验采用热电偶法 (图 1)。本发明的红外热像法通过充分开发浮力诱导流, 检测出旋转表面的全场传热信息。对于静态或旋转测试通道的自由或强制对流外部流, 目前的协议包括生成用于后处理的热损耗相关性 (图 2)。在图 2的顶部, 还演示了传热试验模块的构造。图 2所示的所有拟合线的相关系数介于 0.95-0. 98 之间。鉴于图 2中 h损耗图中的 h 损耗相关性, 误差线表示在每个转速下确定的数据范围。
图 3、图 4和图 5描述了从静态双通道的纵波浪肋、旋转双通 s 通道31和旋转槽32测量的选择性传热结果。和针翅通道33。静态 s 肋通道、旋转 S 通道31、棱槽32和针翅通道33的最不确定度的估计最大不确定性分别为7.9%、8.8%、9.2% 和9.7%。为了揭示对冷却液通道传热特性的影响, 从静态通道中检测出的基线全场传热数据, 以图 3为典型的红外热成像方法是必不可少的。图3顶部的图示还描述了带有纵波浪肋的双通道 S 声道的通道配置。通道部分是方形的, 半圆形分段纵向波浪肋在两个对面的加热墙上的入口和出口腿。
从Ro和步进效应对局部和区域平均传热的影响, 允许在 0 (图 4) 中呈现传热数据. 这两种模式和水平的女/女0 在同一 Ro与类似的布似乎是弱功能的Re (图 4)。在图 5中, 证明了分离科里奥利力对传热性能的影响的协议的典型结果。在图 5中, 每个固定 Ro上的0 个不同的旋转通道的端壁32和菱形的针鳍33的变化都倾向于遵循线性相似的数据趋势。因此, 当选择了→0 0 级在布= 0 和 Ro> 0 水平时, 线性外推。但是, 由于不同的通道配置, 从旋转槽32和针翅33通道 (如图 5所示) 中测量的怒/怒0 比值分别减少,提高了. 在这方面, 对 0 的变化对密度比 (Δρ/ρ)3,4,5,6的描述,34经常导致非线性的女/女0 变异。因此, 在一个固定Ro上的每一个0 数据趋势的外推向Δρ/ρ→0的渐近极限, 沿非线性数据趋势减弱的浮力效应往往受到所选相关函数的类型。然而, 从旋转通道的前导和尾部壁检测到的传热结果的数据外推程序32表明了分离科里奥利力对传热的适用性性能与消失的浮力相互作用在步= 0 (图 5)。
所谓零浮力的0 比是由Ro控制, 以反映孤立的科氏力效应。步骤7.7 和7.8 所揭示的静态通道引用的传热变化方式以图 6为典型。从浮力效应到旋转通道传热性能的分离ro影响与ro函数成0 相关 (图 6) 的一部分相关. 图 6中的正或负ψ2值表示由于浮力相互作用而对传热性能的改善或阻碍作用。较大的ψ2 级, 对传热性能施加较高程度的旋转浮力冲击。图 6所示的拟合线是相关函数的地块。零浮力0 比值与ψ2 值相关性的函数结构一般根据图6中出现的数据趋势的不同方式确定。.如前所述, 在32和针翅33通道之间的不同通道几何图形分别导致图 6中的负和正ψ2 值。但对于两种类型的旋转通道32,33在图 6中 , ψ2 值的减小幅度的共同特征进行了观察。在零浮力条件下, 将ψ2 值和怒/怒0 比值关联到Ro函数中, 传热相关性, 允许对隔离和耦合Ro和布对怒/怒0的影响, 是为特定的旋转通道产生的。
图 1.实际操作Re, Ro和步进范围和模拟实验室条件的旋转冷却液通道在燃气轮机转子叶片.由美国宇航局主办程序3,4,5,6执行的测试条件表示为条形符号。所述的开口和实心符号分别表示尖端和全场传热测量的步进、 Ro和再测试范围。括号中的数字是取数据的参照。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2.典型的热损失系数 (h损失) 在不同的旋转速度30使用梯形双通肋-粗糙旋转通道作为例证.图顶部描述了旋转测试模块的构造细节。由热损耗通量所构成的每个数据趋势的斜率, 在左下半部分显示的壁到环境温差的变化, 揭示了特定转速下的热损失系数。通过对在所有转速测试过程中检测到的热损耗系数的相关性, 将由右下图所产生的热损失关联性纳入了对元会计数据处理程序中。右下图中的误差线表示h损耗30的范围。请单击此处查看此图的较大版本.
图3。用现有红外热像法测定了1.5万的努塞尔的静态双通 S 通道粗糙度的局部数分布.顶部图描述了双通波浪通道和纵向 S 肋的壁。如 AA 节视图所示, 双纵 S 肋在两个相反的通道端壁上排列。在努塞尔数的详细分布上, 以下图显示的双通波浪壁, 由于墙体传导对热流和壁温分布的影响, 导致沿两纵 S 肋上的非标数据被丢弃。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4.实例表明, 反渗透和步进效应对旋转通道局部和区域平均传热性能的影响是分离的.上部部分陈列详细的努塞尔数字发行在固定Ro 0.15 以另外 5000, 7500 和 12500 为启发雷诺数的影响对转动的壁的传热性能。下部的部分描述了旋转前缘和尾部端壁的面积平均传热特性。规范化的怒/怒0 比通过旋转突出了非旋转场景的传热变化。经长等201731的许可改编。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5.举例说明了不耦合反渗透效应对旋转通道32、33的传热性能的影响. 每个步进驱动的0 变异是获得在固定Ro和相关作为一个线性函数的布, 由直线在每个情节的指示。这些拟合线的相关系数介于0.96 和0.98 之间。对→00 数据趋势的外推, 沿每条拟合线显示了0 的比例。各步驱动的0 数据趋势的大小和斜率揭示了浮力效应对传热性能的影响。坡度的大小代表了对女/女0的布氏影响程度。正、负斜率分别反映了浮力对传热水平的改善和影响。括号中的数字是取数据的参照。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6.对旋转波浪通道32、33的区域平均传热性能进行了耦合反渗透和步进效应.上部部分收集传热方案在不同的Ro , 但与消失的浮力效应在布= 0。这种0 的变异完全是由不同的科氏力所引起的. 下部部分显示了不同Ro对 0 的影响。负和正ψ2 值表明, 对32和针翅 33通道的传热性能分别造成的影响和改善。这一数字中的虚线是0 在布= 0 的相关结果。括号中的数字是取数据的参照。请单击此处查看此图的较大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
在红外热像仪检测旋转通道的壁温度时, 流体温度由热电偶测量。由于驱动旋转钻机的交流电动机的替代磁场诱发电位干扰热电偶测量, 因此必须采用直流电机驱动旋转试验台。
加热通道出口面上的流体温度分布不均匀。建议在旋转通道的现有平面上至少五个热电偶来测量局部流体的出口温度。特别是, 这些热电偶测量的流体温度安装在流动通道是受离心力的力量在旋转试验。热电偶导线容易地弯曲向热的渠道墙壁。因此, 采用了一种用于测量流体进入温度的屏蔽热电偶电缆。在流道出口平面上, 在网格上编织几个热电偶珠的网格可以夹在测试通道的出口法兰之间, 以检测在旋转试验条件下预定位置的流体出口温度。
由于旋转引起的浮力对旋转通道的流动和传热特性有相当大的影响, 所选的全场传热数据检测方法需要包括科里奥利力和浮力效应。利用瞬态液晶法测量全场传热数据, 热边界层尚未充分开发, 因为该方法对对流热进行时间通道壁温度变化是必不可少的。传输系数。在旋转燃气轮机叶片的冷却通道中, 由于向心加速度可达 105 x g, 因此, 受充分发展的浮力流影响的传热数据, 可通过目前的实验方法检测到, 是更实用的设计活动。
被扫描的热通道壁暴露在红外摄像机中, 不可避免地会招致加热箔产生的焦耳热量的热量损耗。进行热损失标定试验的协议对于保证传热数据质量至关重要。从静态或旋转试验通道的自由或强制对流外部流中继承, 对流换热系数可与固定转速下的壁-环境温差函数相关联 (图2). 最好将整个旋转传热测试模块封装在旋转试验过程中, 以恢复 "自由对流" (如外部流动) 的屏蔽。当热量损失通量的百分比降低时, 传热数据的最大实验不确定度一般会降低。然而, 热损失系数略有增加, 因为N增加, 即使封装盾覆盖整个传热测试模块 (图 3)。在后处理程序中包含了热损失相关度, 以评估每组传热试验结果的局部热损耗流量分布。随着绝热材料填充传热模块的热惯量大大增加, 在每次热损失试验中达到稳态条件所需的时间从传热试验到气流流动.
从旋转诱导的角度考察隔离效应对传热特性的适用性是十分必要的。由于对传热性能的影响取决于通道的配置, 所以通常采用其它通道几何产生的传热相关性作为静态通道传热参考是不合适的。本实验方法以0的换热数据为依据, 从反渗透和步进效应中分离出再冲击, 并以0的数据为静态测试通道。在向心加速度约 105 x g 的旋转通道中, 浮力效应相当可观, 但在典型范围内, 引力驱动浮力对静态通道传热特性的影响一般是微不足道的。为静态测试通道检查流体密度比。
在馈电加热器功率的传热试验中, 为促进热对流产生所需的温度梯度, 在旋转通道中诱导的向心加速度场驱动一定程度的浮力效应是不可避免的。.由于极高的向心加速度, 在现实的发动机条件下, 旋转通道的耦合Ro和步进效应是不可忽略的。因此, 当转速调整时, 科里奥利力和旋转浮力水平同时发生变化。旋转试验过程中,反渗透和Re对目标值的同时控制, 是解耦和 布对传热性能的影响的关键。在修正了ro和Re后, 随热流变化或浮力水平的不同, 传热变化反映了旋转浮力对试验中传热性能的影响. 从以这种方式生成的数据集转换的0 元数据, 允许执行步骤 7.4-7.8, 以确定科里奥利力效应和旋转浮力效应隔离。
对旋转通道的传热性能的影响通常是ro的, 如图 6所示, 其中ψ2 值随Ro变化而改变。将Ro和步进作为相关的独立参数, 选择传热相关的数学结构是不合适的。
鉴于对→0的限制条件的0 外推, 对所选浮力参数的线性相似的0 变异是可取的, 以减少数据外推引起的不确定性。在这方面, 流体密度比, Δρ/ρ或浮力数,布, 建议作为浮力参数, 以揭示零浮力的0 级在这样的数据推断过程。
随着高压旋转试验, 加热箔的变形和旋转通道的组成成分由于在不同温度分布模式下的热膨胀, 通常会导致旋转试验过程中气流泄漏。这种微小的气流泄漏很难在旋转试验中识别出来。因此, 建议立即进行后续数据处理, 以获取旋转通道的传热数据。通过对以往旋转试验所得的传热结果的交叉检验, 任何不一致的数据趋势的含义是可能的气流泄漏。随后的措施, 以检测, 然后防止气流泄漏是必需的。
在实际的发动机条件下, 用科里奥利力效应和旋转浮力效应解耦, 给出了一个旋转通道的传热数据的生成方法。目前实验方法的主要局限性是将Ro和步进试验范围扩大到与测试通道一起旋转的红外摄像机的可持续性。一般情况下, 10 x g 是红外相机的最大可持续离心加速度。在现有的检测旋转通道传热速率的方法中, 使用薄的加热箔可以最大限度地减少通道壁传导对局部对流热流分布的影响, 并能检测温度壁面流体界面。同时, 利用目前的实验技术, 可以检测到旋转表面受稳态浮力效应影响的二维全场传热分布。随着数据分析方法的发展, 科里奥利力和旋转浮力对旋转通道全场传热性能的影响可以被解耦。此方法已应用于各种旋转通道配置。我们期望, 目前的实验策略可以导致设计友好的传热相关性, 这将继续扩大, 以充分覆盖的现实引擎条件时, 红外摄像技术的进步允许其用途在条件以更高的离心加速度。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
目前的研究工作是由台湾科学技术部在赠款 94-2611-e-022-001、国安 95-2221-e-022-018、国安理事会 96-2221-e-022-015MY3 和国安理事会 97-2221-e 022-013-MY3 的资助下进行的。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rotating test rig | In-house made | Design by this research group | |
| Heat transfer test module | In-house made | Design by this research group | |
| Mass flow meter | Eldride Product, Inc. | 3100301-01-01 359-1007 |
|
| Infrared thermography system | NEC P384A-8 | 3100401-04 3127A-4 |
|
| Instrumentation slip ring | Michigan Scientific SR36M | 3100506-62 3553-372 |
References
- 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. Heat transfer in rotating passages with smooth walls and radially outward flow. ASME Journal of Turbomachinery. 113 (1), 42-51 (1991).
- Wagner, J. H., Johnson, B. V., Kopper, F. C. Heat transfer in rotating serpentine passages with smooth walls. ASME Journal of Turbomachinery. 113 (3), 321-330 (1991).
- Wagner, J. H., Johnson, B. V., Steuber, G. D., Yeh, F. C. Heat transfer in rotating serpentine passages with trips normal to the flow. ASME Journal of Turbomachinery. 114 (4), 847-857 (1992).
- Johnson, B. V., Wagner, J. H., Steuber, G. D., Yeh, F. C. Heat transfer in rotating serpentine passages with selected model orientations for smooth or skewed trip walls. ASME Journal of Turbomachinery. 116 (4), 738-744 (1992).
- Hwang, G. J., Tzeng, S. C., Mao, C. P., Soong, C. Y. Heat transfer in a radially rotating four-pass serpentine channel with staggered half-v rib turbulators. ASME Journal of Heat Transfer. 123 (1), 39-50 (2001).
- Azad, G. S., Uddin, M. J., Han, J. C., Moon, H. K., Glezer, B. Heat transfer in a two-pass rectangular rotating channel with 45-deg angled rib turbulators. ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 251-259 (2002).
- Griffith, T. S., Al-Hadhrami, L., Han, J. C. Heat transfer in rotating rectangular cooling channels (AR=4) with angled ribs. ASME Journal of Heat Transfer. 124 (4), 617-625 (2002).
- Al-Hadhrami, L., Griffith, T. S., Han, J. C. Heat transfer in two-pass rotating rectangular channels (AR=2) with five different orientations of 45 deg V-shaped rib turbulators. ASME Journal of Heat Transfer. 125 (2), 232-242 (2003).
- Chang, S. W., Liou, T. M., Hung, J. H., Yeh, W. H. Heat transfer in a radially rotating square-sectioned duct with two opposite walls roughened by 45 deg staggered ribs at high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 129 (2), 188-199 (2007).
- Zhou, F., Lagrone, J., Acharya, S. Internal cooling in 4:1 AR passages at high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 129 (12), 1666-1675 (2007).
- Liu, Y. H., Huh, M., Han, J. C., Chopra, S. Heat transfer in a two-pass rectangular channel (AR=1:4) under high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 130 (8), (2008).
- Chang, S. W., Liou, T. M., Chiou, S. F., Chang, S. F. Heat transfer in high-speed rotating trapezoidal duct with rib-roughened surfaces and air bleeds from the wall on the apical side. ASME Journal of Heat Transfer. 130 (6), (2008).
- Wright, L. M., Liu, Y. H., Han, J. C., Chopra, S. Heat transfer in trailing edge, wedge-shaped cooling channels under high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 130 (7), 1-11 (2008).
- Liou, T. M., Chen, M. Y., Tsai, M. H. Fluid flow and heat transfer in a rotating two-pass square duct with in-line 90-deg ribs. ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 260-268 (2002).
- Chang, S. W., Liou, T. M., Yang, T. L., Hong, G. F. Heat transfer in radially rotating pin-fin channel at high rotation numbers. ASME Journal of Turbomachinery. 132 (2), (2010).
- Rallabandi, A., Lei, J., Han, J. C., Azad, S., Lee, C. P. Heat transfer measurements in rotating blade-shape serpentine coolant passage with ribbed walls at high Reynolds numbers. ASME Journal of Turbomachinery. 136 (9), (2014).
- Mayo, I., Arts, T., Ahmed, E. H., Parres, B. Two-dimensional heat transfer distribution of a rotating ribbed channel at different Reynolds numbers. ASME Journal of Turbomachinery. 137 (3), (2015).
- Chang, S. W., Yang, T. L., Liou, T. M., Fang, H. G. Heat transfer in rotating scale-roughened trapezoidal duct at high rotation numbers. Applied Thermal Engineering. 29 (8), 1682-1693 (2009).
- Liou, T. M., Chang, S. W., Chen, J. S., Yang, T. L., Lan, Y. A. Influence of channel aspect ratio on heat transfer in rotating rectangular ducts with skewed ribs at high rotation numbers. International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (23), 5309-5322 (2009).
- Huh, M., Liu, Y. H., Han, J. C. Effect of rib height on heat transfer in a two pass rectangular channel (AR = 1:4) with a sharp entrance at high rotation numbers. International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (19), 4635-4649 (2009).
- Xu, G., Li, Y., Deng, H. Effect of rib spacing on heat transfer and friction in a rotating two-pass square channel with asymmetrical 90-deg rib turbulators. Applied Thermal Engineering. 80 (5), 386-395 (2015).
- Tao, Z., Yang, M., Deng, H., Li, H., Tian, S. Heat transfer study in a rotating ribbed two-pass channel with engine-similar cross section at high rotation number. Applied Thermal Engineering. 106 (5), 681-696 (2016).
- Li, Y., Deng, H., Tao, Z., Xu, G., Chen, Y. Heat transfer characteristics in a rotating trailing edge internal cooling channel with two coolant inlets. International Journal of Heat Mass Transfer. 105 (2), 220-229 (2017).
- Deng, H., Chen, Y., Tao, Z., Li, Y., Qiu, L. Heat transfer in a two-inlet rotating rectangular channel with side-wall fluid extraction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 105 (2), 525-534 (2017).
- You, R., Li, H., Tao, Z., Wei, K. Heat transfer investigation in a smooth rotating channel with thermography liquid crystal. ASME Turbo Expo. GT2016-56413, Turbomachinery Technical Conference and Exposition: Heat Transfer. 5 (B), V05BT16A006 1~10 (2016).
- Morris, W. D., Chang, S. W. An experimental study of heat transfer in a simulated turbine blade cooling passage. International Journal of Heat Mass Transfer. 40 (15), 3703-3716 (1997).
- Chang, S. W., Liou, T. -M., Po, Y. Coriolis and rotating buoyancy effect on detailed heat transfer distributions in a two-pass square channel roughened by 45° ribs at high rotation numbers. International Journal of Heat Mass Transfer. 53 (7), 1349-1363 (2010).
- Wang, W. J. Heat transfer in rotating twin-pass trapezoidal-sectioned passage with two opposite walls roughened by 45 degree ribs. , Department of Marine Engineering, National Kaohsiung Marine University. Msc thesis (2006).
- Chang, S. W., Wu, P. -S., Chen, C. -S., Weng, C. -C., Jiang, Y. -R., Shih, S. -H. Thermal performance of radially rotating two-pass S-shaped zig-zag channel. International Journal of Heat and Mass Transfer. 115 (B), 1011-1031 (2017).
- Chang, S. W., Lees, A. W., Liou, T. -M., Hong, G. F. Heat transfer of a radially rotating furrowed channel with two opposite skewed sinusoidal wavy walls. International Journal of Thermal Sciences. 49 (5), 769-785 (2010).
- Chang, S. W., Liou, T. -M., Lee, T. -H. Heat transfer of a rotating rectangular channel with a diamond-shaped pin-fin array at high rotation numbers. Journal of Turbomachinery Transactions of the ASME. 135 (4), 041007 1~10 (2013).
- Morris, W. D., Chang, S. W. Heat transfer in a radially rotating smooth-walled tube. The Aeronautical Journal. 102 (1015), 277-285 (1998).
