Engineering

Força de Coriolis desacopladas e efeitos de flutuabilidade rotativa em campo-total de calor transferir Propriedades de um canal de rotação

Published: October 5, 2018 doi: 10.3791/57630

Shyy Woei Chang¹, Wei-Ling Cai¹, Hong-Da Shen¹, Kuo-Ching Yu¹

¹Department of System and Naval Mechatronic Engineering, National Cheng Kung University

Summary

Aqui, apresentamos um método experimental para dissociar a força de Coriolis interdependente e efeitos de rotação-flutuabilidade em distribuições de transferência de calor de campo integral de um canal de rotação.

Abstract

Propõe-se um método experimental para explorar as características de transferência de calor de um canal axialmente giratório. Os parâmetros de fluxo Directivo que caracterizam os fenômenos de transporte em um canal de rotação são identificados através da análise paramétrica das equações do momentum e energia, referindo-se a um quadro de referência rotativo. Com base nestas equações de fluxo adimensional, uma estratégia experimental que vincula o design do módulo de teste, o programa experimental e a análise dos dados é formulado com a tentativa de revelar a força de Coriolis isolada e efeitos de flutuabilidade no calor performances de transferência. Os efeitos da força de Coriolis e flutuabilidade de giro são ilustrados usando os resultados seletivos medidos de canais com várias geometrias de giro. Enquanto a força de Coriolis e impactos rotativos-flutuabilidade compartilham várias características comuns entre os vários canais rotativos, as assinaturas de transferência de calor única são encontradas em associação com a direção do fluxo, a forma de canal e o arranjo de calor dispositivos de aprimoramento de transferência. Independentemente das configurações de fluxo dos canais rotativos, o método experimental apresentado permite o desenvolvimento de correlações de transferência de calor fisicamente consistentes que permitem a avaliação da força de Coriolis isolada e interdependente e efeitos de rotação-flutuabilidade no calor transferem Propriedades de rotação de canais.

Introduction

Enquanto as leis termodinâmicas ditam o poder específico melhorada e a eficiência térmica de um motor de turbina a gás por elevar a temperatura de entrada da turbina, vários componentes do motor quente, tais como lâminas de turbina, são propensos a danos térmicos. Resfriamento interno de uma lâmina de rotor da turbina de gás permite uma temperatura de entrada da turbina superiores aos limites de temperatura da resistência do material da lâmina fluência. No entanto, as configurações dos canais de refrigeração internos devem respeitar o perfil da lâmina. Em particular, o refrigerante gira dentro da lâmina de rotor. Com tais condições adversas térmicas para uma execução lâmina de rotor de turbina a gás, um esquema de refrigeração de lâmina eficaz é crucial para garantir a integridade da estrutura. Assim, as propriedades de transferência de calor local para um canal de rotação são importantes para o uso eficiente do fluxo de refrigerante limitado disponível. A aquisição de dados de transferência de calor útil que são aplicáveis para o projeto das passagens passagem interna em condições realistas do motor é de primordial importância quando é desenvolvido um método experimental para medir as propriedades de transferência de calor de um simulado de passagem dentro de uma lâmina de rotor da turbina de gás de refrigeração.

Rotação a uma velocidade acima de 10.000 rpm altera consideravelmente o desempenho de refrigeração de um canal de rotação dentro de uma lâmina de rotor de turbina a gás. A identificação das condições do motor para esse canal rotativa é permitida usando a lei de semelhança. Com rotação, os grupos adimensionais que controlam os fenômenos de transporte dentro de um canal radial rotativo podem ser revelados derivando as equações de fluxo em relação a um referencial rotativo. Morris¹ tem derivada da equação de conservação de impulso de fluxo em relação a um referencial rotativo como:

Equation 1 (1)

Na equação (1), a velocidade local do fluido, v̄, com o vector de posição, r̄, em relação a um referencial girando na velocidade angular, ω, é afetado pela aceleração de Coriolis em termos de 2 (ω×v̄), o força de flutuabilidade centrípeta dissociada, β(T-T_ref) (ω×ω×r̄), o gradiente de pressão de piezo-métrica conduzida, Equation 16 e a viscosidade dinâmica fluida, ν. A densidade do fluido referenciada, ρ_ref, é referida uma temperatura de referência pré-definido de fluido T_ref, que é típico da temperatura local em massa fluida para experimentos. Se a conversão irreversível de energia mecânica em energia térmica é negligenciável, a equação de conservação de energia é reduzida para:

Equation 2 (2)

O primeiro termo da equação (2) é obtido por tratamento a entalpia específica para estar diretamente relacionada com a fluido da temperatura local, T, através do calor específico constante, C_p. Como a perturbação da densidade do fluido causada pela variação de temperatura do fluido em um canal rotativa aquecida fornece uma influência considerável sobre o movimento de fluidos quando links com a aceleração centrípeta na equação (1), a velocidade do fluido e campos de temperatura em um canal axialmente giratório são acoplados. Além disso, ambos Coriolis e acelerações centrípetas variam simultaneamente como a velocidade de rotação é ajustada. Assim, os efeitos da força de Coriolis e girando o empuxo sobre os campos de velocidade do fluido e temperatura naturalmente são acoplados.

Equações (1) e (2) nas formas adimensionais divulgar os parâmetros de fluxo que governam a convecção de calor em um canal de rotação. Com um fluxo de calor uniforme basicamente imposto num canal rotativa, a temperatura local em massa fluida, T_b, aumenta linearmente na direção streamwise, s, a partir do nível de entrada de referência, T_ref. A temperatura local em massa fluida é determinada como T_ref + τs, onde τ é o gradiente de temperatura na direção do fluxo de granel líquido. Substituições dos seguintes parâmetros adimensionais de:

Equation 3 (3)

Equation 4 (4)

Equation 5 (5)

Equation 6 (6)

Equation 7 (7)

em equações (1) e (2), onde V_dizer, N e d , respectivamente, defende o fluxo médio através da velocidade, velocidade de rotação e diâmetro hidráulico do canal, as equações de impulso e energia de fluxo adimensionais são derivadas como equações (8) e (9) respectivamente.

Equation 8 (8)

Equation 9 (9)

Evidentemente, η na equação (9) é uma função de Ree Ro Bu = Ro²βτdR, que são respectivamente denominados números de Reynolds, rotação e flutuabilidade. O número de Rossby que quantifica a relação entre a inércia e as forças de Coriolis é equivalente ao número de rotação inversa na equação (8).

Quando T_b é calculada como T_ref + τs em um canal rotativo sujeito a um fluxo de calor uniforme, o valor τ pode ser avaliado como alternativa como Q_f/ (mC_pL) no qual Q _f, m e L são o poder de aquecimento convectivo, taxa de fluxo de massa de arrefecimento e canal de comprimento, respectivamente. Assim, a temperatura adimensional em massa fluida local, η_b, é igual a s/d e a temperatura adimensional na parede do canal, η_w, produz [(T_w- bT ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Com a taxa de transferência de calor convectiva definida como Q_f/ (T_w-T_b), a diferença de temperatura de parede-para-líquido adimensional, η_w-η_b, é convertível no número de Nusselt local através da equação (10), no qual ζ é a função de forma adimensional da área e a área de seção transversal do canal de aquecimento.

Equation 10 (10)

Com um conjunto de geometrias predefinidas e as condições de contorno de hidrodinâmicas e térmicas, os grupos adimensionais, controlando o número de Nusselt local de um canal de rotação são identificados como:

Equation 11 (11)

Equation 12 (12)

Equation 13 (13)

Com testes experimentais, o ajuste de velocidade, N, de giro para variados Ro gerar a transferência de calor dados em diferentes intensidades de forças de Coriolis inevitavelmente muda a aceleração centrípeta e, portanto, a força relativa da girando a flutuabilidade. Além disso, um conjunto de dados de transferência de calor coletados de um canal de rotação é sempre sujeitos a um grau finito de girar o efeito de flutuabilidade. Para divulgar os efeitos individuais da força de Coriolis e o empuxo sobre a transferência de calor, desempenho de um canal de rotação requer o desacoplamento dos efeitos Ro e Bu no Nu Propriedades através do procedimento de processamento de dados do post que é inclusivo no presente método experimental.

As condições de fluxo do motor e laboratório para um canal de rotação dentro de uma lâmina de rotor da turbina de gás podem ser especificadas pela indicação dos intervalos de Re, Ro e Bu. As condições típicas do motor para o refrigerante fluem através de uma lâmina de rotor da turbina de gás, bem como a construção e colocação em funcionamento da instalação de teste rotativa que permitia experimentos a ser executada perto as condições reais do motor foi relatada por Morris². Com base nas condições realistas motor resumidas por Morris², Figura 1 constrói as condições de funcionamento realistas em termos de intervalos de Re, Ro e Bu para um canal de refrigeração rotativa em uma lâmina de rotor de turbina a gás. Na Figura 1, a indicação de pior condição do motor é referida como o motor funcionando a condição com a maior velocidade do rotor e a mais alta taxa de densidade. Na Figura 1, o limite inferior e motor pior condições de funcionamento respectivamente emergem as velocidades de motor mais baixo e mais alto. É extremamente difícil de medir a distribuição de Nu campo integral de um canal rotativa rodando a uma velocidade de motor real entre 5000 e 20.000 rpm. No entanto, com base na lei de semelhança, testes em escala de laboratório foram conduzidos em velocidades de rotação reduzidas, mas com várias tentativas de fornecer uma cobertura completa dos intervalos de Re, Ro e Bu de real-motor. Como um método inovador e experimental, o HOST da NASA programa³^,⁴^,⁵^,⁶ adoptou os testes de alta pressão para aumentar as densidades de fluido para o predefinidos Re em fim de alargar o leque de Ro , reduzindo a velocidade média do fluido. A este respeito, as relações específicas entre Re, Ro e Bu para um gás ideal, com uma constante dos gases, R,_ce viscosidade, μ, relacionam-se como:

Equation 14 (14)

Equation 15 (15)

Para trazer a correspondência nominal as condições de laboratório, com condições de motor, visto na Figura 1, a velocidade, N, líquido de arrefecimento pressão, P, canal hidráulica diâmetro, dde giro, rotação raio, R, e diferença de temperatura de parede-para-líquido, T_w-T_b, precisa ser controlado para os intervalos de Re, Ro e Bu realistas de correspondência. Claramente, uma das abordagens mais eficazes para aumentar o alcance de Ro é aumentar o diâmetro hidráulico do canal, como Ro é proporcional à d². Como o teste de transferência de calor de laboratório realista N é extremamente difícil, a pressão do líquido de arrefecimento, P, é tecnicamente mais fácil de ser aumentado para estender o alcance de Ro ; mesmo se Ro só é proporcional a P. Baseado neste contexto teórico, a filosofia de design do presente método experimental é aumentar Ro por pressurizando o canal rotativa de teste usando o diâmetro hidráulico do canal máximo permitido para se encaixar o equipamento rotativo. Tendo aumentado a gama de Ro , a gama de Bu é estendida em conformidade como Bu é proporcional à Ro². Na Figura 1, as condições de teste de laboratório adotadas para gerar os dados de transferência de calor de rotação de canais também são incluídos³^,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. como indicado na Figura 1, a cobertura das condições realistas do motor, os dados de transferência de calor disponível é ainda limitada, especialmente para o intervalo de Bu necessários. A céu aberto e os coloridos símbolos sólidos representados na Figura 1 são os experimentos de transferência de calor aguçado e campo-total, respectivamente. Como coletados na Figura 1, a maioria do calor transferir dados com aplicações de refrigeração de turbina a gás rotor lâminas¹^,²^,³^,⁴^,⁵^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵ ^, ²⁶ são ponto as medições utilizando o método do termopar. Os efeitos de condução de parede em parede condutiva de medição fluxo de calor e as temperaturas em interfaces líquido-parede minam a qualidade dos dados de transferência de calor convertidos a partir das medições de termopar. Além disso, o calor transferência medições¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^, ⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵ ^, ²⁶ usando o método do termopar não pode detectar as variações de transferência de calor bidimensional sobre uma superfície de rotação. Com o presente método experimental²⁹^,³⁰^,³¹^,³², a detecção de distribuições de número Nusselt campo integral por cima do muro rotativa de canal é admissível. Minimização do efeito de condução de parede usando folhas de aço inoxidável espessura 0.1 mm com números de Biot >> 1 para gerar o poder de aquecimento pelo presente método experimental permite a condução de calor unidimensional da folha de aquecimento para o fluxo de refrigerante. Em particular, a aquisição de dados de transferência de calor de campo integral envolvendo efeitos tanto Ro e Bu não é admissível, usando a técnica de transiente de cristal líquido e o método do termopar. Com o atual Termografia do método de cristal líquido de estado estacionário¹⁹, faixa de 35-55 ° C de temperatura detectável desativa a geração de dados de transferência de calor com relações de densidade realista.

Usando os parâmetros de fluxo que regem a convecção de calor em um canal rotativa para demonstrar que a cobertura total das condições realistas do motor, visto na Figura 1 ainda não foi alcançada, então a necessidade de adquirir o calor de campo integral transferir dados em condições realistas motor tem sido continuamente instado. O presente método experimental permite a geração de transferência de calor de campo integral com força de Coriolis e efeitos de rotação-flutuabilidade detectados. Os protocolos visam ajudar os investigadores a conceber uma estratégia experimental relevante para a medição de transferência de calor realista de campo integral de um canal de rotação. Juntamente com o método de análise paramétrica que é exclusivo para o presente método experimental, a geração de correlação de transferência de calor para avaliar os efeitos isolados e interdependentes Ro e Bu na Nu é permitida.

O artigo ilustra um método experimental que visam gerar os dados de transferência de calor bidimensional de um canal de giro com condições de fluxo semelhantes para as condições de motor de turbina a gás realista mas operando em muito baixas velocidades de rotação na laboratórios. O método desenvolvido para selecionar a velocidade de rotação, o diâmetro hidráulico do canal de teste e a gama de diferenças de temperatura de parede-para-líquido para a aquisição de dados em condições de motor realista são ilustrados na introdução a transferência de calor. Os testes de calibração para o sistema de termografia infravermelha, a calibração de perda de calor de testes e a operação do equipamento de teste de transferência de calor rotativo são mostrados. Os fatores que causam as incertezas significativas para calor transferir as medidas e os procedimentos para a dissociação entre a força de Coriolis e efeitos de flutuabilidade, sobre as propriedades de transferência de calor de um canal de rotação são descritos no artigo com o seletivo resultados para demonstrar o presente método experimental.

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Protocol

Nota: Os detalhes de rotação de laboratórios, aquisição de dados, processamento de dados e o módulo de teste de transferência de calor emulando um canal interno de resfriamento de uma lâmina de rotor da turbina de gás estão em nossos anteriores trabalhos²⁹^,³⁰^,³¹ ^,³².

1. preparação dos testes de transferência de calor

Formular as condições experimentais em termos de Re, Ro e Bu das condições de operação alvo de uma lâmina de rotor de turbina a gás.
Determine o N, P, d, Re T_w - T_b necessários para adquirir o testado Re, Ro e Bu usando equações (14) e (15).
Re-defina o direcionamento Re, Ro e Bu se N, P, d, Re T_w - T_b excede o limite das instalações experimentais.
Projetar e construir o módulo de teste de transferência de calor dimensionado emulando um canal prático de refrigeração interna em um rotor de turbina a gás da lâmina².

2. determinação do coeficiente de emissividade térmica para o sistema de termografia infravermelha

Instale o termopar calibrado na parte de trás da película de aquecimento digitalizada do aço inoxidável.
Pulverize uma fina camada de tinta preta sobre a aquecimento do aço inoxidável folha digitalizada pela câmera infravermelha.
Crie campos de fluxo simétrico nos dois lados da película de aquecimento de aço inoxidável, colocando uma folha de aço inoxidável fina vertical em um espaço com os fluxos de convecção livre sobre os dois lados da película de aquecimento vertical.
Alimentar o poder de aquecimento elétrico através da aquecimento da folha e medir temperaturas simultaneamente por sistema de Termografia infravermelho e termopar na exibição de computador no estado estacionário.
Repita a etapa 2.4 pelo menos quatro vezes usando elevados poderes de aquecedor. Garantir que as temperaturas de parede correspondente aos poderes aquecedor usados por etapas 2.3 e 2.4 cobrir a gama T_w determinada pela etapa 1.2.
Calcule os valores de T_wverificados pelo sistema de termografia infravermelha usando um número de coeficientes de emissividade térmica seletiva para o programa que converte os sinais infravermelhos em dados de temperatura.
Compare os dados de T_w medidos pelo termopar calibrado e o sistema de termografia infravermelha no local correspondente ao ponto do termopar com os desvios-padrão avaliados.
Selecione o coeficiente de emissividade térmica com o desvio-padrão mínimo determinado pelo passo 2.7.
Determine o erro de precisão máxima para o sistema de termografia infravermelha usando o coeficiente de emissividade térmica determinado pelo passo de 2.8.

3. dinâmico equilíbrio de rotação Rig

Instale o módulo de teste de transferência de calor, a câmera infravermelha, o quadro envolvente e todos os acessórios na plataforma rotativa.
Ajuste o compensação de peso gradualmente até que a condição de funcionamento da plataforma rotativa satisfaz a limitação vibracional para as medições termográficas infravermelhas para expor a imagem térmica estável na tela do computador.

4. avaliação dos coeficientes de perda de calor

Encha o canal de líquido de arrefecimento do módulo de teste de transferência de calor com material de isolação térmica.
Instale o módulo de teste preenchido na plataforma rotativa teste encaixe o módulo de teste na plataforma rotativa e conectando a fonte de alimentação do aquecedor e todos os cabos instrumentais.
Ativar o sistema de aquisição de dados para digitalizar o temporal T_w variação a uma potência de aquecimento até que a condição de estado estacionário é satisfeita. Garantir que o temporal T_w variações durante as diversas varreduras sucessivas são menos de +0,3 K em cada condição de estado estacionário.
Grave a potência do aquecedor, estado estacionário T_w dados e a correspondente temperatura ambiente, T_∞.
Repita os poderes de aquecimento diferentes etapas 4.3 e 4.4, pelo menos cinco vezes usando a uma velocidade de rotação fixa.
Repita as etapas 4.2-4.4 pelo menos cinco velocidades de rotação. Certifique-se de que o campo de provas da velocidade de rotação cobre todos os valores de N determinados pela etapa 1.2.
Repita as etapas de 4.3-4.6 com um sentido de rotação invertido.
Construa as parcelas do fluxo de perda de calor contra a diferença de temperatura de parede-para-ambiente em cada velocidade de giro.
Correlacione os coeficientes de perda de calor, como as funções de diferença de parede-para-temperatura, velocidade e sentido de rotação de giro.
Incorpore a correlação de perda de calor para o programa de processo de dados post para contabilidade de Nu .

5. linha de base testes de transferência de calor

Realizar testes de transferência de calor para o direcionamento de números de Reynolds no zero velocidade de giro (Ro = N = 0), alimentando os fluxos de líquido de arrefecimento e poderes de aquecedor para o módulo de teste. Garantir que a taxa de vazão mássica de refrigerante fornecido é constantemente ajustada a fim de controlar o número de Reynolds no plano de entrada de fluxo com o valor alvo.
Grave todos os dados brutos relevantes, incluindo a temperaturas de parede de estado estacionário, temperaturas fluidas, poderes de aquecedor, pressões de fluxo e ambientes pressões e temperaturas, para posterior processamento de dados.
Avalie os locais e a média de área números de Nusselt (Nu₀) sobre as paredes do canal estático digitalizados.

6. testes de transferência de calor de giro

Instale o programa de monitoramento on-line para monitorar as condições de teste no direcionamento Re e Ro.
Alimente a taxa de vazão mássica de refrigerante medido, pressão de fluxo de ar, velocidade e temperatura do fluido na entrada do canal de giro para o programa de monitoramento para calcular o instante Re e Ro.
Grave todos os dados brutos relevantes, tais como rotativo velocidade, potência do aquecedor, fluxo de ar e pressões do ambientes, bem como as temperaturas de parede e o fluido para posterior processamento de dados depois que a condição de estado estacionário pré-definido é satisfeita.
Repita as etapas de 6.2 e 6.3 pelo menos quatro crescente ou decrescente de poderes de aquecedor em um conjunto de fixos Re e Ro. Assegure que a queda de Re e Ro de teste dentro de ± 1% de diferenças de valores alvos, ajustando a velocidade de rotação ou a taxa de vazão mássica de líquido de arrefecimento ou ambos.
Certifique-se de que os testes de transferência de calor em cada conjunto de fixo Re e Ro com poderes diferentes aquecedor continuamente são executados como o desenvolvimento de fluxos de empuxo induzido é associado com a "história" de desenvolvimento o fluxo.
Repita as etapas de 6.4 e 6.5 com quatro ou cinco direcionamento Reynolds números (Re) em um número fixo de rotação (Ro). Garantir que a velocidade de rotação é ajustada adequadamente em cada teste Re para controlar tanto Re e Ro os valores alvo dentro de ± 1% de diferenças.
Repita a etapa 6.6 usando quatro ou cinco direcionamento números de rotação (Ro).
Repita as etapas de 6.2 a 6.7 com o sentido de rotação invertido.
Avalie os locais e a média de área números de Nusselt (Nu) sobre as paredes de canal rotativa digitalizados usando um programa de processamento de dados do post.

7. paramétrica análise

Correlacione os números de Nusselt de área-média (Nu₀) coletados do canal estático para as funções do número de Reynolds.
Avaliar o local de campo integral Nu/Nu₀ rácios na cada fixo Re e Ro testaram com a média de área Nu/Nu₀ rácios calculados.
Verificar a aplicabilidade de isolamento Re efeito traçando o local e a média de área Nu/Nu₀ proporções obtidas com diferentes Re mas na idêntica Ro.
Divulgar os impactos isolados de flutuabilidade em Propriedades de transferência de calor do canal teste rotativo de giro plotando a área-média Nu/Nu₀ rácios coletados na mesma Ro com diferentes Re contra a relação de Bu ou densidade (Δρ/ρ). Assegurar a melhor selecção de Bu ou Δρ/ correlação de transferência deρ para construir este tipo de enredo para a obtenção da tendência de dados consistentes com uma estrutura simples e funcional para o calor.
Extrapolar cada Nu/Nu₀ tendência de dados coletados em um fixo Ro mas diferentes Re na condição limitante de Bu→0 ou Δρ/ρ→0.
Coletar todos os extrapolada Nu/Nu₀ resultados com Bu→0 ou Δρ/ρ→0 em todos os testados Ro.
Plotar a extrapolada Nu/Nu₀ resultados com interação de flutuabilidade desapareceu contra Ro para divulgar o desacopladas Coriolis force efeitos sobre as propriedades de transferência de calor.
Correlacione os resultados dos exames coletados por etapas, 7.4 e 7.7 para as funções de Ro e Bu.

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Representative Results

Condições de funcionamento realistas para os fluxos de líquido de arrefecimento interno dentro de uma lâmina de turbina a gás rotativa em termos de Re, Ro e Bu são comparadas com as condições de laboratório emulado na Figura 1. Os pontos de dados cair nas condições motor realista usando o método experimental presente resumido em protocolos¹¹^,¹⁴^,¹⁷^,²⁰^,²¹. Embora os dados de transferência de calor de campo integral são mais úteis que os dados de transferência de calor pontiagudo medidos a partir dos canais rotativos, maior parte das experiências de transferência de calor anterior adotamos o método de termopar (Figura 1). O presente método de termografia infravermelha detecta as informações de transferência de calor de campo integral de uma superfície de rotação com os fluxos de empuxo-induzido totalmente desenvolvidos. Com o livre ou forçada convectiva externa flui para um estático ou canal de teste de giro, os protocolos presentes incluem a geração de correlações de perda de calor para o pós-processamento de dados (Figura 2). Na parte superior da Figura 2, a construção do módulo de teste de transferência de calor também é demonstrada. Os coeficientes correlativos para todas as linhas cabidos mostrados pela Figura 2 cair entre 0,95-0,98. Tendo em conta a correlação de h_perdavista na trama de h_perdacontra N na Figura 2, as barras de erro indicam o intervalo de dados determinado em cada velocidade de giro.

Figura 3, Figura 4e Figura 5 mostram os resultados de transferência de calor seletivo medidos do estático duas passagens S-canal com costelas onduladas longitudinais, o giro duas passagens S-canal³¹ e a rotação franzida³² e pin-aleta canal³³. As incertezas máximos estimadas das medições Nu para o canal S-com nervuras estático, a rotação S-canal³¹, sulcada canal³² e pin-aleta canal³³ são 7,9%, 8,8%, 9,2% e 9,7%, respectivamente. Para divulgar o impacto de Re sobre as propriedades de transferência de calor de um canal de líquido de arrefecimento, os dados de transferência de calor de campo integral de linha de base detectados do canal estático pelo método de termografia infravermelha presente como tipificado pelo Figura 3 são essenciais. O diagrama mostrado na parte superior da Figura 3 também mostra a configuração de canal do dois-transmitir S-canal com as costelas longitudinais onduladas. A seção do canal é quadrada com costelas onduladas longitudinais semi circulares seccionadas em duas paredes opostas aquecidas das pernas entrada e saída.

A aplicabilidade do impacto de Re isolado dos efeitos Ro e Bu na transferência de calor local e regionalmente em média é permitida por apresentar os dados de transferência de calor em termos de Nu/Nu₀ (Figura 4). Ambos os padrões e níveis de Nu/Nu₀ na mesma Ro com semelhante Bu parecem ser fracas funções de Re (Figura 4). Os resultados típicos de protocolo para divulgar os efeitos da força de Coriolis isoladas nas propriedades de transferência de calor são demonstrados na Figura 5. Na Figura 5, as variações de Nu/Nu₀ em cada fixo Ro contra Bu para dois diferentes canais rotativos com ondulado endwalls³² e diamante em forma de barbatanas-pino³³ tendem a acompanhar as tendências de dados como linear. Assim, a extrapolação linear quando Bu→0 está selecionado para o identificados Nu/Nu₀ níveis no Bu = 0 e Ro> 0. Mas, devido as configurações de canais diferentes, o Nu/Nu₀ rácios medidos da rotação franzida³² e pin-aleta³³ canais conforme representado na Figura 5 são, respectivamente, diminuídos e aumentado, elevando a Bu. Neste contexto, a representação do Nu/Nu₀ variações contra taxa de densidade (Δρ/ρ)³^,⁴^,⁵^,⁶^, ³⁴ levou muitas vezes para o não-linear Nu/Nu₀ variações. Assim, a extrapolação de cada Nu/Nu₀ dados de tendências em um fixo Ro para o limite assintótico de Δρρ→0 com efeito de flutuação diminuído ao longo de uma tendência de dados não-linear é frequentemente afetado pelo tipo de função correlativa selecionado. No entanto, o procedimento de extrapolar dados para os resultados de transferência de calor detectado nos muros da esquerda e à direita dos canais rotativo³² demonstra a aplicabilidade para desvendar os efeitos da força de Coriolis isolado na transferência de calor Propriedades com interação de flutuabilidade desapareceu no Bu= 0 (Figura 5).

O so-called zero-flutuabilidade Nu/Nu₀ rácios são apenas controlados por Ro para refletir os efeitos da força de Coriolis isolado. A forma de variações de transferência de calor entre as referências de estática-canal divulgadas por etapas 7.7 e 7.8 é caracterizada pela Figura 6. O impacto de Ro separado do efeito do empuxo sobre os desempenhos de transferência de calor de um canal de rotação está correlacionado como a função de Ro para ser uma parte do Nu/Nu₀ correlação (Figura 6). O positivo ou negativo ψ₂valores na Figura 6 indicam a melhoria ou impedindo efeitos nas performances de transferência de calor devido a interações de flutuabilidade. A magnitude ψ₂ maior, os mais elevados graus de rotação de flutuabilidade impacto são impostas sobre as propriedades de transferência de calor. As cabido linhas indicadas na Figura 6 são as parcelas das funções correlativas. As estruturas funcionais das correlações para zero-flutuabilidade Nu/Nu₀ rácios e ψ₂ valores geralmente são determinados em conformidade com os modos diferentes dos dados de tendências surgiram em Figura 6 . Como discutido anteriormente, o canal diferente geometrias entre o franzida³² e pin-aleta³³ canais respectivamente conduziram ao negativo e positivo ψ₂ valores na Figura 6. Mas a característica comum das magnitudes reduzidas dos valores ψ₂ causadas pelo aumento de Ro é observada para os dois tipos de rotação canais³²^,³³ na Figura 6. Tendo correlacionados os valores ψ₂ e o Nu/Nu₀ rácios em condições de zero-flutuabilidade para as funções de Ro , o calor transferência correlações, que permitem a avaliação de isolados e juntamente com efeitos de Ro e Bu na Nu/Nu₀, é gerado para o canal de rotação específico.

Figura 1. Realista de funcionamento Re, Ro e Bu intervalos e as condições de laboratório emulada por um canal de refrigeração rotativa em uma lâmina de rotor de turbina a gás. As condições de teste realizadas por HOST NASA programa³^,⁴^,⁵^,⁶ são indicadas como barra de símbolo. Os símbolos abertos e sólidos significam respectivamente que o Bu, Roe Re testar intervalos para as medições de transferência de calor aguçado e campo-total. Os números entre parênteses são referências a partir do qual dados são tomados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Coeficientes de perdas de calor típico (h_perda) às várias de velocidades rotativa³⁰ , usando o gêmeo-pass trapezoidal costela-rugosas canal rotativo como um exemplo ilustrativo. O diagrama na parte superior mostra os detalhes para a construção do módulo de teste de rotação. A inclinação de cada tendência de dados constituída pelo fluxo de perda de calor contra a diferença de temperatura de parede-para-ambiente mostrado na parte inferior esquerda revela o coeficiente de perda de calor para a velocidade de rotação específica. Correlacionando os coeficientes de perda de calor detectado em toda a velocidade de rotação testada, a correlação de perda de calor gerado tipificada pela parcela inferior direito é incorporada o programa de processamento de dados para contabilidade de Nu . As barras de erro no enredo bem inferior indicam os intervalos de _perdade h³⁰. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Distribuição de número de Nusselt local de estática gêmeo-pass S-canal áspera por costelas encaracoladas no Re = 15.000 medido pelo método de termografia infravermelha presente. O diagrama superior retrata o endwall do canal ondulado duas passagens e as S-costelas longitudinais. Conforme indicado pela AA' vista de corte, a par de S-costelas longitudinais é arranjado embutido em dois endwalls de canal oposto. Na distribuição do número de Nusselt sobre o endwall ondulado dois passos mostrado como a trama inferior detalhada, os dados Nu junto as dois S-costelas longitudinais são descartados devido aos efeitos de condução de parede sobre as distribuições de fluxo de calor e a temperatura da parede. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Exemplos demonstrando o isolamento de Re -impacto do efeito Ro e Bu no calor local e regionalmente-em média, transferir Propriedades de rotação canal. A parte superior exibe as detalhadas distribuições números de Nusselt em um fixo Ro de 0,15 com um diferente Re de 5000, 7500, e 12.500 para esclarecer os impactos do número de Reynolds sobre o calor transferir Propriedades de endwall a rotação. A parte inferior retratado as propriedades de transferência de calor a média de área sobre a rotação à direita e endwalls. O normalizado Nu/Nu₀ rácios destacam as variações de transferência de calor de cenários não rotativo por rotação. Adaptado com permissão de Chang et al . 2017³¹. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. Exemplos demonstrando o efeito Ro desacoplado do impacto da Bu no calor transferir Propriedades de rotação canal³²^,³³. Cada Bu-conduzido Nu/Nu₀ variação é obtida no fixo Ro e correlacionada como uma função linear da Bu , como indicado pela linha reta em cada parcela. Os coeficientes de correlação destas linhas cabido cair entre 0,96 e 0,98. A extrapolação da Nu/ Bu→0 ao longo de cada linha equipada de tendênciaNu₀ dados revela o Nu/Nu₀ rácio no testado Ro. A magnitude e a inclinação de cada Bu-conduzido Nu/Nu₀ tendência de dados divulgar os modos do efeito do empuxo em performances de transferência de calor. As magnitudes das encostas representam os graus de impacto Bu na Nu/Nu₀. Pistas de positivo e negativas respectivamente refletem o impacto de flutuabilidade imobilizante e melhoria no nível de transferência de calor. Os números entre parênteses são referências a partir do qual dados são tomados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. Efeitos Uncoupled Ro e Bu performances de transferência de calor regionalmente em média o rotativo ondulado de canal³²^,³³. A porção superior recolhe os cenários de transferência de calor em várias Ro mas com efeito de flutuabilidade desapareceu no Bu = 0. Tais Nu/Nu₀ variações são exclusivamente causada por vários forças de Coriolis em diferentes Ro. A parte inferior mostra as variações de Bu impacto no Nu/Nu₀ em diferentes Ro. O negativo positivo ψ₂ valores indicam o respectivo prejudicando e melhorar Bu impactos sobre o calor transferência performances para o franzida³² e pin-aleta³³ canais. As linhas pontilhadas na figura são os resultados de correlação para Nu/Nu₀ no Bu = 0. Os números entre parênteses são referências a partir do qual dados são tomados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Enquanto as temperaturas endwall de um canal de rotação são detectadas por um sistema de termografia infravermelha, as temperaturas fluidas são medidas por termopares. Como o campo magnético alternativo de um motor AC que impulsiona um equipamento rotativo induz potenciais elétricos para interferir com as medições de termopar, o motor DC deve ser adoptado para conduzir um ensaio de máquina rotativa.

A distribuição de temperatura do fluido sobre o plano de saída de um canal de aquecimento não é uniforme. Pelo menos cinco termopares no avião existente de um canal de rotação são recomendados para medir as temperaturas de saída de líquido local. Em particular, estes termopares as temperaturas fluidas, instaladas na passagem do fluxo de medição estão sujeitas a forças centrífugas durante os testes de rotação. Os fios de termopar são facilmente dobrados em direção as paredes do canal quente. Assim, um cabo blindado de termopar para medir a temperatura de entrada do fluido é usado. O avião de saída de fluxo, uma malha com várias contas de termopar teceu sobre a malha pode ser imprensada entre os flanges de saída de um canal de teste para detectar as temperaturas de saída do fluido nos locais predefinidos, sob uma condição de teste de rotação.

Com rotação considerável induzida por efeitos de flutuabilidade, sobre as características de transferência de fluxo e calor de um canal de rotação, o método selecionado para detectar que os dados de transferência de calor de campo integral precisam incluir efeitos tanto a força de Coriolis e a flutuabilidade. Usando o método transiente de cristal líquido para medir os dados de transferência de calor de campo integral, as camadas de limite térmicas não são ainda totalmente desenvolvidas conforme as variações de temperatura temporal canal-parede são essenciais por esse método para adquirir o calor por convecção coeficientes de transferência. A aceleração centrípeta pode atingir 10⁵x g em um canal de refrigeração de uma lâmina de turbina a gás rotativa, os dados de transferência de calor sujeitos as influências dos fluxos de empuxo totalmente desenvolvido, que são detectáveis pelo presente método experimental, são mais prático para as actividades de design.

A exposição da parede canal quente digitalizados para uma câmera infravermelha inevitavelmente incorre em perda de calor do calor gerado pelas películas de aquecimento Joule. Os protocolos para a realização dos ensaios de calibração de perda de calor são essenciais para garantir a qualidade dos dados de transferência de calor. Herdando a partir dos fluxos externos convectivos livre ou forçados para um canal de teste estático ou rotativa, os coeficientes de transferência de calor convectiva podem ser correlacionados como a função da diferença de temperatura de parede-para-ambiente a uma velocidade de rotação fixa (Figura 2). é preferível para envolver todo o giro calor transferência teste módulo com um escudo para recuperar o "free convectiva" como fluxos externos durante os testes de rotação. As incertezas experimentais máximos de dados de transferência de calor geralmente são reduzidas quando a porcentagem do fluxo de perda de calor o fluxo de calor fornecido é reduzida. No entanto, os coeficientes de perda de calor são aumentou ligeiramente à medida que N aumenta mesmo com o escudo envelopado cobrindo o módulo de teste de transferência de calor inteiro (Figura 3). A correlação de perda de calor está incluída no programa de processamento de dados post para avaliar a distribuição do fluxo de perda de calor local para cada conjunto de resultados de teste de transferência de calor. Como a inércia térmica do módulo de transferência de calor, preenchida por material de isolação térmica é consideravelmente aumentada, o tempo necessário para atingir a condição de estado estacionário durante cada calor teste de perda consideravelmente é estendida de um teste de transferência de calor com fluxo de ar .

É essencial para investigar a aplicabilidade do efeito isolante Re nas propriedades de transferência de calor daqueles induzidos por rotação. Como o efeito de Re em performances de transferência de calor varia de acordo com as configurações de canal, não é conveniente adoptar habitualmente as correlações de transferência de calor geradas a partir de outras geometrias de canal como as referências de transferência de calor estático-canal. O presente método experimental isola Re impacto dos efeitos de Ro e Bu por apresentar os dados de transferência de calor em termos de Nu/Nu₀, no qual o Nu₀dados são medidos para o canal teste estático. Enquanto o efeito do empuxo em um canal de rotação com aceleração centrípetas cerca 10⁵x g é considerável, o efeito de flutuabilidade orientado a gravitação sobre a propriedade de transferência de calor de um canal de estática é geralmente insignificante dentro do intervalo típico de rácios de densidade do fluido examinados por um canal de teste estático.

Durante um teste de transferência de calor após a alimentação de energia do aquecedor para gerar os gradientes de temperatura necessários para facilitar a convecção do calor, é inevitável um certo grau de efeito de flutuabilidade, conduzido pelo campo induzido aceleração centrípeta no canal rotativo . Tais acoplado Ro e Bu efeitos para um canal de rotação às condições realistas do motor não são negligenciáveis devido as acelerações centrípetas extremamente altas. Assim, tanto a força de Coriolis e nível de flutuação de giro simultaneamente são alteradas quando a velocidade de rotação é ajustada. O controle simultâneo de Ro e Re os valores alvo durante o experimento rotativo é essencial para dissociar o Ro e Bu efeitos nas propriedades de transferência de calor. Tendo fixado tanto Ro e Re, as variações de transferência de calor correspondente à variação do fluxo de calor, ou nível de flutuabilidade, refletem o efeito rotativo de flutuabilidade em Propriedades de transferência de calor para o testado Ro. O Nu/Nu₀ dados convertidos do conjunto de dados gerado desta forma permitirem a implementação de medidas 7,4-7,8 para identificar o efeito da força de Coriolis e efeito de flutuabilidade em isolamento de giro.

O impacto de Bu sobre a propriedade de transferência de calor de um canal de rotação é frequentemente Ro dependente como exemplificado pela Figura 6 , em que os valores ψ₂ são variados como alterações de Ro . Não é apropriado selecionar a estrutura matemática da correlação de transferência de calor que trata o Ro e Bu como os parâmetros independentes na correlação.

Tendo em conta o Nu/Nu₀ extrapolação em direção a condição limitante de Bu→0, o linear, como Nu/Nu₀ variações contra o parâmetro selecionado flutuabilidade é preferível a fim de reduzir o incerteza causada pela extrapolação de dados. Neste contexto, a relação de densidade do fluido, Δρ/ρ ou a flutuabilidade número, Bu, é recomendado como o parâmetro de flutuabilidade para divulgar o zero-flutuabilidade Nu/Nu₀ nível durante tais dados extrapolando processo.

Com alta pressão, testes de giro, as deformações de aquecimento as folhas e os componentes constituintes de um canal de rotação devido as expansões térmicas em vários testes padrões da distribuição de temperatura muitas vezes causam a fuga de fluxo de ar durante o teste de rotação. Tal escapamento pequeno fluxo de ar é difícil de ser identificado durante o teste de rotação. Assim, recomenda-se imediata de processamento de dados subsequente para adquirir os dados de transferência de calor do canal rotativo. Por interrogando os resultados de transferência de calor obtidos com os testes anteriores de rotação, a implicação de qualquer tendência de dados inconsistentes é o vazamento do fluxo de ar possível. As subsequentes medidas para detectar e, então, evitar a fuga de fluxo de ar são necessárias.

Temos demonstrado um método para gerar os dados de transferência de calor de um canal de rotação às condições realistas do motor com o efeito de Coriolis-força e efeito de flutuabilidade desacoplado de giro. A principal limitação do presente método experimental para estender o teste varia de Ro e Bu é a sustentabilidade da câmera infravermelha que gira com o canal de teste. Em geral, 10 g de x é a máxima aceleração centrífuga sustentável para uma câmera infravermelha. No que diz respeito o método existente, detectando as taxas de transferência de calor de um canal de rotação, o uso de folha fina de aquecimento pode minimizar os efeitos de condução do canal-parede sobre a distribuição do fluxo de calor por convecção locais e a detecção de temperaturas no interfaces de parede-fluido. Além disso, a distribuição de transferência de calor bidimensional do campo integral sobre uma superfície de rotação sujeita o efeito de flutuação de estado estacionário são detectáveis usando a técnica experimental presente. Com a análise de dados método desenvolvido, as influências da força de Coriolis e flutuabilidade sobre a propriedade de transferência de calor de campo integral de um canal de rotação de giro pode ser desacoplado. Esse método já foi aplicado a uma ampla gama de configurações de canais de giro. Esperamos que a presente estratégia experimental pode levar à transferência de calor de projeto amigável correlações e que continuará a estender a cobertura completa de condições realistas do motor quando o avanço da tecnologia de câmera infravermelha permite sua usos as condições com maiores acelerações centrífugas.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

O presente trabalho de pesquisa foi financeiramente patrocinado pelo Ministério da ciência e tecnologia de Taiwan sob a concessão NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 e 97-2221-E-022-013-MY3 de NSC.

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

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References

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Engineering

Força de Coriolis desacopladas e efeitos de flutuabilidade rotativa em campo-total de calor transferir Propriedades de um canal de rotação

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

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