Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
(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、 
、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。
(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:
(3)
(4)
(5)
(6)
(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。
(8)
(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。
(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。
(11)
(12)
(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。
(14)
(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 >> 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。
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Protocol
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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
2. 赤外線サーモグラフィ用熱放射率係数の決定
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
3 リグを回転の動バランス
- 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。
- 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。
4. 熱損失係数の評価
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 逆の回転方向と 4.3 4.6 手順を繰り返します。
- 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。
- 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。
- 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。
5. 基準熱転送テスト
- 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。
- 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。
- [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。
6. 回転熱転送テスト
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 逆の回転方向と 6.2 6.7 に手順を繰り返します。
- 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。
7. パラメトリック解析
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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Representative Results
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 チャネルを回転の現在のプロトコルにはデータの後処理 (図 2) の熱損失相関の生成が含まれます。また、図 2の先頭、伝熱テスト モジュールの構築を示した。図 2で示されているすべてのフィット ラインの相関係数は 0.95 0.98 間落ちる。図2 Nに対してh損失のプロットで見られるh損失相関の観点から誤差範囲を示すデータ範囲は各回転速度で決まります。
図 3図 4、および図 5描写から静的 2 パスの S 縦の波状肋骨、回転 2 パス S チャネル31 、32回転しわのあるチャネル測定選択的熱伝達実験の結果33のピンフィン チャンネル。推定最大静的の S リブ チャンネル回転 S チャネル31、 Nu測定不確実性しわチャネル32と33のピンフィン チャンネルが 7.9%、8.8%、9.2%、9.7%、それぞれ。冷却剤チャネルの熱特性に日時への影響を明らかにするには、図 3渉外活動として現在の赤外線サーモグラフィ法による静的チャネルから検出されたベース ライン全視野熱転送データが不可欠です。図 3の上部に示されている図はまた縦の波状肋骨を 2 パス S チャネルのチャネルの構成を示しています。チャネル セクションは入口と出口の足の 2 つの反対の加熱壁で半円形断面縦波状肋骨と広場です。
Nuの面で熱転送データを提示することによってローカルおよび地方平均熱伝達に及ぼす影響RoとBuの日時影響の分離を適用を許可/ν0 (図 4)。両方のパターンとNuのレベル/日時(図 4) の弱い機能同様Buと同じRoでν0みたい。熱特性に分離コリオリの力の影響を開示するためのプロトコルから典型的な結果を図 5に示します。図 5、 Nuのバリエーション/各ν0 Buに対してRoを固定は、波状円板32と菱形のピンフィン33の 2 つの異なる回転チャネルをする傾向があるため線形のようなデータの傾向に従ってください。したがって、線形外挿Bu→0 を選択するために識別されたNuNu0レベルBu /0 とRo= > 0。しかし、異なるチャンネル設定、ヌゥのため/ν0比を図 5に示すように回転しわのある32と33ピンフィン チャンネルから測定がそれぞれ減少しているとBu増大が認められました。この点、 Nuの描写で/密度比ν0バリエーション (Δρ/ρ)3,4,5,6, 34非線型Nuにつながっている多くの場合/ν0のバリエーション。したがって、それぞれのNuの外挿/Δρの漸近値に向かって固定Roでν0データの傾向/非線形データ トレンドに沿って減少浮力を伴うρ→0 が影響を受ける頻度、選択した相関関数の型。それにもかかわらず、回転チャネル32の先頭と末尾の壁から検出された熱伝達実験の結果のデータ外挿する手順に示します分離コリオリの力に及ぼす熱伝達を解明への適用性Buで消えた浮力作用を持つプロパティ = 0 (図 5)。
いわゆるゼロ浮力ν/ν0比のみ分離コリオリの力の影響を反映するようにRoによって制御されます。熱転送バリエーション ステップ 7.7 と 7.8 で開示静的チャネル参照からの方法は、図 6に代表されます。回転チャネルの伝熱特性に及ぼす浮力から分離されたRo影響はニュースキンの一部にRoの関数として相関/ν0相関 (図 6)。正または負のψ2図 6の値は改善したり、浮力の相互作用による伝熱特性に及ぼす影響を示します。大きいψ2大きさ、高度浮力を回転の影響が熱伝達特性に課されます。図 6に示されている近似線は、相関関数のプロットです。ゼロ浮力Nuの相関の機能的構造/ν0比とψ2値は一般的に図 6 に出現した傾向データのさまざまなマナーに従って決定されます。.前述のように、しわのある32 、33 - ピンフィン チャンネル間でジオメトリはネガティブとポジティブのψ2にそれぞれつながっている別のチャネルは、図 6の値します。しかし、図 6のチャンネル32,33回転の 2 つのタイプのRoの増加によって引き起こされるψ2値の減少の大きさの一般的な特徴を観察しました。Ψ2値およびNu相関を持つ/ Ro機能、熱には条件をゼロ浮力でν0比転写、分離の評価を可能にする相関関係とNuにRoとBuの及ぼす影響を結合/ν0、特定回転チャネルが生成されます。
図 1.営業日時、 RoとBuの範囲、ガスタービン動翼の回転冷却チャンネルのエミュレートされた実験室の条件の現実的。NASA ホスト プログラム3,4,5,6によって実行されるテスト条件はバーとして示されるシンボル。オープンと固体の記号はそれぞれBu、 Roと再テスト先のとがったと全視野の熱伝達率計測の範囲を意味します。括弧内の数字は、データの取得元となる参照です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2 。説明例として台形ツイン パスかく乱回転チャネルを使用して回転の様々 なの速度30の典型的な熱損失係数 (h損失).上部の図は、回転のテスト モジュールの構造上の細部を示しています。左下の部分に示すように壁から周囲温度差に対して放熱損失によって構成される各データ傾向の斜面では、特定の回転速度で熱損失係数を明らかにします。関連付けることによって熱損失係数はNu会計データ処理プログラムが組み込まれて右下のプロットに代表される生成された熱損失相関テスト、すべての回転速度で検出。下の右の図の誤差範囲を示すh損失30の範囲。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3。日時でカーリーの肋骨によってローカル静的のヌッセルト数分布ツイン S パスチャネル荒く = 15,000 本の赤外線サーモグラフィ法による測定します。上の図は、流の波状路と縦 S リブの側壁を示しています。AA によって示されるように ' 断面図ビュー、縦 S リブのペアが 2 つ反対チャネル円板でインラインで配置されました。下部のプロットとして表示されます 2 つのパス波線エンドウォールのヌッセルト数の詳細な分布、2 つの縦のリブに沿ってNuデータは壁伝導熱流束と壁面温度の分布に及ぼすのために破棄されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4 。 RoとBuのローカルおよび地方平均熱効果から日時の影響の分離を示す例は、チャネルを回転のプロパティを転送します。上部展示 5000 の別の日時に 0.15 の固定Roで、詳細なヌセルト数分布 7500、熱のレイノルズ数の影響を啓発する 12,500 回転エンドウォールのプロパティを転送するとします。下の部分は、回転上エリア平均熱伝達特性を描かれている先頭と末尾の円板。正規化されたν/ν0比は回転によって非回転のシナリオから熱転送バリエーションをハイライトします。チャンら201731から許可を適応します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5 。 Bu熱影響から共役のRoの効果を示す例がチャネル32,33の回転のプロパティを転送します。各Bu-駆動ν/ν0変動は固定のRoで得られた、各プロットの直線によって示されるように、 Buの線形関数として相関します。これらの近似線の相関係数は 0.96 0.98 と落ちる。Nuの外挿/ν0データ傾向各装備のラインに沿ってBu→0 Nuを明らかにする/テストRoでν0の割合。大きさ、各Buの斜面-駆動NuNu0データ傾向を開示する伝熱特性に及ぼす浮力のマナー/。斜面の大きさを表すBu Nu影響度/ν0。肯定的な否定的な斜面はそれぞれ熱伝達レベルへの改善、損なう浮力の影響を反映しています。括弧内の数字は、データの取得元となる参照です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6 。回転する波状の地方平均の伝熱特性に及ぼす影響 Uncoupled RoとBuチャネル32,33.上部収集熱転送シナリオ様々 なRoではなくBuで消えた浮力 0 を =。このようなν/ν0のバリエーションだけ異なるRoでのコリオリ力の様々 なによって引き起こされます。下部はNuのBuの影響の変化を示しています/異なるRoでν0 。負と正ψ2値をそれぞれ示す損なうとBu熱影響を改善転送しわのある32 、33 - ピンフィン チャンネルのための公演。この図では点線はNuの相関結果/ Buでν0 0 を =。括弧内の数字は、データの取得元となる参照です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
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ます検出を選択されたメソッドの流れおよび熱伝達特性に及ぼす浮力の影響を誘発します。過渡液晶メソッドを使用して、全視野熱転送データを測定するため、熱境界層がまだ完全にによって開発されていない時空間チャネル壁温度の変化が不可欠であると対流熱を取得するためこのメソッド転送係数。求心性加速度が 10 に達すると5チャンネル回転ガスタービン動翼、現在実験法による検出が完全に開発された浮力流れの影響を受けるデータを転送する熱の冷却材で g xデザイン活動のためより実用的です。
赤外線カメラにスキャンしたホット チャンネルの壁の露出は必然的に暖房ホイルによって発生するジュール熱からの損失熱を発生します。熱損失キャリブレーション テストを行うためのプロトコルは、熱転送データの品質を確保するために重要です。静的または回転のテスト チャンネルの無料または強制対流外部流れのいずれかから継承する、その対流熱伝達係数を一定の回転速度 (図の壁から周囲温度差の関数として関連付けることができます。2). 回転のテスト中に、「無料対流」のように外部の流れを回復するためのシールドと、全体の回転熱転送テスト モジュールを包むことをお勧めします。熱転送データの最大の実験的不確実性は、指定した熱流束から熱の損失粒子流の割合が減少したときに一般的に削減されます。それにもかかわらず、熱損失係数は若干カバー全体熱転送テスト モジュール (図 3) エンベロープの盾ともNが増加するにつれて増加しました。熱損失の相関は、熱転送テスト結果の各セットのための局所熱損失粒子流の分布を評価する記事データ処理プログラムに含まれます。各ヒート中に定常状態に到達するために必要な時間損失テストはかなり空気の流れと熱伝達テストから拡張断熱材で埋め、伝熱モジュールの熱慣性がかなり増加する、.
回転によるものから熱移動特性の隔離の日時は効果の適用性を調べることが不可欠です。日時が伝熱特性に及ぼすチャネル構成に依存している習慣静的チャネル熱転送参照として他のチャネルのジオメトリから生成された熱伝達率相関式を採用する適切なそれはない.現在実験がNuの面で熱転送データを提示することでRoとBuの影響から日時への影響を分離/ν0 ν0データの測定静的テスト チャネル。求心性加速約 10 回転チャネルで浮力をしながら5 x g はかなり、静的チャネルの熱伝達特性に対する重力駆動浮力効果は典型的な範囲の内で一般に無視静的テスト チャネルについて流体の密度の比。
熱対流を促進するため必要な温度勾配を生成するヒーター電力を供給後、熱転送テスト中回転チャネルで誘導求心性加速電場によって駆動される浮力効果のある程度は避けられない.このような結合Roとリアルなエンジンの状態で回転チャネルのBu効果が非常に高い求心加速度による無視できません。したがって、回転速度を調整する際、コリオリの力と浮力レベルの回転の両方は変更同時に。回転実験中にターゲット値でRoと日時の同時制御はRoと熱伝達特性に及ぼす影響Buを切り離すことが不可欠です。熱流束または浮力レベルの変化に対応する熱伝達変化反映の回転テストRo熱輸送特性に及ぼす浮力Roと日時を固定します。Ν/ν0データをこの方法で生成されるデータ セットから変換はコリオリの力の影響を識別し、分離の buoyance 効果を回転の 7.4 7.8 の手順の実装を許可します。
Bu回転チャネルの伝熱特性への影響はよくRo ψ2値がRoの変更として変化は図 6に代表される依存です。RoとBuの相関関係で独立したパラメーターとして扱います熱伝達相関式の数学的構造を選択すると不適切なもの。
Nuの観点から/ Bu→0、線形のようなニュースキンの制限条件に向かってν0外挿/選択した浮力パラメーターに対してν0バリエーションは減らすために望ましい、不確実性は、データの外挿によって引き起こされます。この点、流体密度比、Δρ/ρまたは浮力ゼロ浮力Nuを開示するため浮力パラメーターとして数、 Bu、お勧めこのようなデータの中にν0レベルを外挿する/プロセス。
高圧テストを回転、箔や回転チャネル温度分布多くの様々 なパターンの熱拡張のための成分を加熱変形回転テスト中に気流漏れを原因します。このような小さな空気漏れは、回転のテスト中に特定することは困難です。したがって、回転チャネルの熱転送データを取得するためは、すぐに後続のデータ処理の使用をお勧めします。以前の回転テストから得られた熱転送結果を尋問、任意の矛盾したデータのトレンドの含意は可能な空気漏れ。検出し、空気漏れを防ぐ次の施策が必要です。
コリオリの力の影響で現実的なエンジンの状態で回転チャネルの熱転送データを生成し、非浮力効果を回転する方法を説明してきました。RoとBuの試験範囲を拡張するため本実験方法の主要な制限は、回転テスト チャネル赤外線カメラの持続性です。一般に、10 × g は赤外線カメラの最大持続可能な遠心加速度です。薄い暖房ホイルの使用に関して回転チャネルの熱転送速度を検出する既存のメソッド、ローカルの対流熱流束の分布と温検出に及ぼすチャネル壁の伝導を最小化できます。壁と流体のインターフェイス。また、定常状態の浮力を受ける回転表面上二次元の全視野熱伝達分布、現在の実験技術を使用して検出。データ分析法開発、コリオリの力の影響と回転チャネルの全視野の熱伝達特性に及ぼす浮力の回転を結合できないことができます。このメソッドは、既に回転チャネル構成の広い範囲に適用されています。現在の実験的戦略がつながることを見込んで設計向け熱伝達相関とは引き続き赤外線カメラ技術の進歩により、ときにリアルなエンジンの状態の完全なカバレッジを拡張するその高い遠心加速度の条件で使用。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
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。
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).
