회전 채널의 속성을 전송 하는 연결을 푸는 코리올리 힘 및 전체 필드 열에 회전 부 력 효과

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Summary

여기, 우리는 상호 의존적인 코리올리 힘 및 회전 채널의 전체 필드 열 전송 배포판에 회전 부 력 효과 분리 하는 실험 방법 제시.

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Chang, S. W., Cai, W. L., Shen, H. D., Yu, K. C. Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel. J. Vis. Exp. (140), e57630, doi:10.3791/57630 (2018).

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Abstract

축으로 회전 채널의 열 전달 특성을 탐색 하는 실험 방법 제안. 회전 채널에 전송 현상 특성 관리 흐름 매개 변수는 자전 기준 틀 참조 기세 및 에너지 방정식의 변수 분석을 통해 식별 됩니다. 이러한 치수 흐름 방정식, 테스트 모듈의 디자인을 연결 하는 실험적인 전략에 따라 실험 프로그램 및 데이터 분석은 공식화 격리 코리올리 힘과 열에 부 력 효과 공개 하는 시도 공연 전송. 코리올리 힘 및 부 력을 회전의 효과 다양 한 형상의 채널 회전 측정 선택적 결과 사용 하 여 그림. 독특한 열 전송 서명 흐름 방향, 채널 모양 및 열 배치와 연관 있는 코리올리 힘 및 회전 부 력 영향 다양 한 회전 채널 중 몇 가지 공통 기능을 공유, 향상 장치 전송. 회전 채널의 흐름 구성에 제시 실험 메서드를 통해 격리 하 고 상호 의존 코리올리 힘의 평가 허용 하는 물리적으로 일관 된 열 전달 상관 관계의 개발 및 회전 부 력 효과에 전송 채널 회전의 속성.

Introduction

열역학 법률 터빈 입장 온도 높이기에 의해 향상 된 특정 전력 및 가스 터빈 엔진의 열 효율을 지시, 하는 동안 여러 뜨거운 엔진 부품, 터빈 블레이드와 같은 열 손상 하는 경향이 있습니다. 내부 냉각 가스 터빈으로 터 블레이드는 터빈 블레이드 재료의 크 리프 저항의 온도 제한 초과 온도 허용 합니다. 그러나, 내부 냉각 채널의 구성 블레이드 프로 파일 준수 해야 합니다. 특히, 냉각수 내로 터 블레이드 회전합니다. 실행 중인 가스 터빈으로 터 블레이드에 대 한 같은 가혹한 열 조건, 효과적인 블레이드 냉각 체계 구조의 무결성을 보장 하기 위해 중요 하다. 따라서, 회전 채널에 대 한 로컬 열 전송 속성은 사용할 수 있는 제한 된 냉각수 흐름의 효율적 사용을 위해 중요 하다. 현실적인 엔진 조건에서 내부 냉각수 통로의 디자인에 적용 되는 유용한 열 전송 데이터의 수집의 열 전달 특성을 측정 하기 위한 실험 방법을 개발 하는 경우 기본의 중요성은 한 가스 터빈으로 터 블레이드 내부 냉각 통로 시뮬레이션된.

10, 000rpm 이상의 속도로 회전 상당히 내부 가스 터빈으로 터 블레이드 회전 채널의 냉각 성능을 변경합니다. 엔진의 회전 채널에 대 한 식별은 유사 법률을 사용 하 여 허용 된다. 회전, 회전 반경 채널 내부 전송 현상 제어 치수 그룹 자전 기준 틀 상대적인 흐름 방정식을 파생 계시 될 수 있습니다. 모리스1 로 자전 기준 틀 상대적인 흐름의 운동량 보존 방정식을 파생 했다:

Equation 1(1)

방정식 (1), 로컬 유체 속도, , 위치 벡터와 , 회전 각 속도 ω, 참조 프레임에 상대적으로 영향을 받는 2 (ω×)에서 코리올리 가속도 분리 된 구심 성 부 력 힘, β(T-Tref) (ω×ω×), 구동된 피에 조 미터 압력 기울기, Equation 16 , 그리고 유체 역학 점도 ν. 참조 된 유체 밀도 ρref, 불린다 미리 정의 된 유체 기준 온도 Tref, 로컬 액체 대량 온도 실험에 대 한 일반적. 열 에너지로 역학적 에너지의 돌이킬 수 없는 변환 무시할 경우 에너지 보존 방정식으로 감소 된다:

Equation 2(2)

방정식 (2)의 첫 번째 임기는 직접 로컬 유체 온도, T, 지속적인 비 열, Cp를 통해 관련 된 특정 엔 탈피 하 여 얻어진 다. 유체 밀도 유체 온도 열된 회전 채널에서의 변형으로 인 한의 섭 동 체액의 모션에 상당한 영향을 제공 하는 방정식 (1), 유체 속도에 구심 성 가속도와 링크 하는 경우와 온도 분야를 축으로 회전 채널에 결합 됩니다. 또한, 코리 올 리와 구심 가속도 변화 동시에 회전 속도 조정 한다. 따라서, 코리올리 힘 및 부 력 유체 속도 및 온도 분야에 회전의 효과 자연스럽 게 결합.

방정식 (1) 및 (2) 치수 형태에서에서 공개 회전 채널에서 열 대류를 제어 흐름 매개 변수. 회전 채널, 지역 액체 대량 온도 Tb에 부과 하는 기본적으로 균일 한 열 플럭스와 streamwise 방향, s, Tref참조 입구 수준에서 선형적으로 증가 한다. 로컬 액체 대량 온도 Tref + τs, τ 가 흐름의 방향에서 액체 대량 온도의 그라디언트로 결정 됩니다. 대체의 다음 크기가 없는 매개 변수:

Equation 3(3)

Equation 4(4)

Equation 5(5)

Equation 6(6)

Equation 7(7)

방정식 (1) 및 (2), 치수 흐름 추진력과 에너지 방정식으로 파생 된 의미하는 V, N , d 각각 평균 흐름 속도, 회전 속도 및 채널 유압 직경을 통해 서, 어디 방정식 (8)과 (9) 각각.

Equation 8(8)

Equation 9(9)

결국, η 방정식 (9)에 다시, 의 기능 = Ro2βτdR, 각각 레이놀즈, 회전 및 부 력 숫자 라고도. 관성 사이의 비율을 단정 로스비 번호 및 코리올리 힘은 방정식 (8)에 역 회전 수와 동일.

Tb Tref + 균일 열 유 속에 따라 회전 채널에서 τs 으로 계산 때 τ 값 또는 Qf로 평가 될 수 있습니다 / (mCpL)에 Q f, m L 는 대류 난방 힘, 냉각수 유량을 질량 및 채널 길이, 각각. 따라서, 크기가 없는 로컬 액체 대량 온도, ηb, s는/d 채널 벽, ηw, 치수 온도 생성 [(Tw-Tb ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Qf로 정의 된 대류 열 전송 속도 / (Tw-Tb), 치수 벽 액체 온도 차이, ηw-ηb, 방정식 (10)는 ζ 통해 로컬 Nusselt 수로 컨버터블은 난방 지역 및 채널 단면적의 크기가 없는 모양 기능이 이다.

Equation 10(10)

미리 정의 된 형상 및 유체역학 및 열 경계 조건 설정, 회전 채널의 로컬 Nusselt 수를 제어 하는 크기가 없는 그룹으로 식별 됩니다.

Equation 11(11)

Equation 12(12)

Equation 13(13)

실험 테스트, 회전 속도, N의 조정으로 다양 한 생성 하는 열 전달에 대 한 데이터 코리올리 힘의 다른 힘에서 필연적으로 변경 하지 구심 가속도, 그리고 따라서,의 상대 강도 회전 부 력. 또한, 열 전송 회전 채널에서 수집 된 데이터의 집합은 항상 한정 된 정도 따라 부 력 효과 회전의. 열 전달에 코리올리 힘 및 부 력 개별 효과 공개 하도록 회전 채널의 성능 게시물 데이터 처리 절차를 통해 속성 소유주 효과의 분리 시 필요 하 현재 실험 방법에 포함입니다.

다시, 소유주의 범위에 의해 내부 가스 터빈으로 터 블레이드 회전 채널에 대 한 엔진 및 실험실 흐름 조건을 지정할 수 있습니다. 냉각수에 대 한 일반적인 엔진 조건 건설 뿐 아니라 가스 터빈으로 터 블레이드를 통해 흐름과 모리스2에 의해 보고 되었다 실제 엔진 조건 근처 수행 하는 실험을 허용 회전 테스트 시설 시운전 . 모리스2요약 현실 엔진 조건에 따라, 그림 1 에서 가스 터빈으로 터 블레이드 회전 냉각수 채널에 대 한 다시, 소유주 범위 측면에서 현실적인 동작 상태를 구성 합니다. 그림 1, 엔진의 최악의 상태 표시 높은 터 속도와 높은 밀도 비율 상태를 실행 하는 엔진 이라고 하. 그림 1에서 하한값 및 가장 나쁜 엔진 작동 조건을 각각 최저 및 최고 엔진 속도에서 등장. 그것은 5000 그리고 20000 rpm 사이의 실제 엔진 속도에서 실행 되는 회전 채널의 전체 필드 분포를 측정 하기 매우 어렵습니다. 그러나, 유사 법을 바탕으로, 실험실 규모 테스트 실시 되었습니다 회전 속도 감소 하지만 실제 엔진 다시, 소유주 범위의 전체 범위를 제공 하기 위해 여러 번 시도. 혁신적인 실험 방법으로 NASA 호스트 프로그램3,4,,56 에 미리 정의 된 다시 에서 유체 밀도 높이기 위한 고압 테스트 채택 평균 유체 속도 줄여 범위를 확장 하는 순서입니다. 이와 관련, 가스 상수, Rc와 점도, μ, 이상 기체에 대 한 다시 간의 특정 관계로 관련 있다:

Equation 14(14)

Equation 15(15)

그림 1, 속도, N, 냉각수 압력, P, 채널 유압 직경, d회전, 회전 반경, R, 엔진 조건 공칭 통신 실험실 조건가지고 벽-액체 온도 차이, Tw-Tb, 현실적인, Ro 범위 일치에 대 한 제어를 해야 합니다. 소유주d2에 비례로 명확 하 게, 범위를 확장 하는 가장 효과적인 방법 중 하나 채널 유압 직경을 증가 하는. 현실적인 N 에서 실험실 열 전달 테스트 매우 어려운, 냉각수 압력, P 범위; 확장에 대 한 발생 하는 기술적으로 쉽게 경우에P에 비례 이다. 이 이론적인 배경을 바탕으로, 현재 실험 방법의 디자인 철학 회전 장비에 맞게 허용 최대 채널 유압 직경을 사용 하 여 회전 테스트 채널을 가압 하 여 증가 하는. 데 범위 증가, 의 범위 따라 2에 비례로 확장 됩니다. 그림 1에서 실험실 테스트 조건을 채택 회전 채널의 데이터 전송 열을 생성 하는 또한 포함된3,,45,,67 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. 사용 가능한 열 데이터를 전송 하 여 현실적인 엔진 조건의 범위는 특히 필요한 범위에 대 한 제한, 그림 1에 표시 된 대로. 열기 및 그림 1 에 표시 된 색깔된 고체 기호는 각각 지적 및 전체 필드 열 전달 실험입니다. 그림 1에서 수집, 대부분의 가스 터빈으로 터 블레이드1,2,3,,45, 를 냉각 응용 프로그램과 데이터를 전송 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 포인트는 열전대 메서드를 사용 하 여 측정. 측정 전도성 벽에 벽 전도 효과 열 플럭스 고 액체 벽 인터페이스에서 온도 열 열전대 측정에서 변환 된 데이터를 전송의 품질을 훼손 합니다. 또한, 열 전송 측정1,2,3,,45,6,7, 8,9,10,11,12,13,,1415 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 열전대 메서드를 사용 하 여 회전 표면에 2 차원 열 전달 변화를 감지할 수 없습니다. 현재 실험 방법29,30,,3132, 회전 채널 벽 전체 필드 Nusselt 수 배포판의 검출은 허용 된다. 비오 숫자와 0.1 m m 두꺼운 스테인리스 포 일을 사용 하 여 벽 전도 효과의 최소화 >> 냉각수 흐름에 난방 포 일에서 1 차원 열전도 허용 하는 현재 실험적인 방법에 의해가 열 전력을 생성 하기 위해 1. 특히, 소유주 효과 포함 하는 전체 필드 열 전송 데이터의 수집 과도 액정 기술과 열전대 메서드를 사용 하 여 허용있지 않습니다. 현재 정상 액정 온도 기록 방법19, 35-55 ° C의 감지 온도 범위 현실적인 밀도 비율 열 전송 데이터의 생성을 비활성화합니다.

보여주는 그림 1 현실적 엔진 조건의 전체 범위 아직 달성 하지는 통치 회전 채널에서 열 대류 흐름 매개 변수를 사용 하 여, 그래서 전체 분야 열 인수에 대 한 필요 데이터 전송에 현실적인 엔진 상태를 지속적으로 촉구 했다. 현재 실험 메서드는 코리올리 힘 및 회전 부 력 효과 감지와 함께 전체 필드 열 전달의 세대 수 있습니다. 프로토콜 회전 채널의 현실적인 전체 필드 열 전달 측정에 관련 된 실험 전략을 고안 하 사관 지원 겨냥 된다. 현재 실험 방법에 고유한 파라미터 분석의 방법, 함께 에 격리 하 고 상호 의존 소유주 효과 평가 하기 위한 열 전달 상관 관계의 생성이 허용 됩니다.

문서 흐름 조건 현실적인 가스 터빈 엔진 조건에 비슷한 회전 채널의 데이터 전송 2 차원 열을 생성 하지만,에서 훨씬 더 낮은 회전 속도에서 작동 하기 위한 실험 방법 설명에 실험실입니다. 회전 속도, 테스트 채널의 유압 직경 및 현실적인 엔진 조건에서 데이터는 소개에서 설명 하는 열 전달 위해 벽에 액체 온도 차이의 범위를 선택 하기 위해 개발 된 방법. 적외선 온도 기록 시스템에 대 한 교정 테스트, 열 손실 보정 테스트 하 고 회전 열 전송 테스트 장비의 작업이 표시 됩니다. 열에 대 한 중요 한 불확실성을 일으키는 요인 전송 측정 및 코리올리 힘을 분리 하는 절차 및 부 력 효과 회전 채널의 열 전달 속성에 선택적으로 문서에 설명 되어 있습니다. 결과 현재 실험 방법 설명입니다.

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Protocol

참고: 회전 시험 시설, 데이터 수집, 데이터 처리 및 가스 터빈으로 터 블레이드는 내부 냉각 채널 모방 열 전송 테스트 모듈의 세부 사항은 우리의 이전 작품29,30,31에 있다 ,32.

1입니다. 열 전달 테스트의 준비

  1. 다시, Ro 의 가스 터빈으로 터 블레이드 대상된 작업 조건에서 실험 조건 공식화.
  2. N, P, d, RTw -Tb 테스트 다시, 소유주 방정식 (14)와 (15)를 사용 하 여 인수에 필요한 결정 합니다.
  3. N, P, d, RTw -Tb 실험 시설의 제한을 초과 하는 경우 다시 대상 Re, 소유주 정의 합니다.
  4. 디자인과 실용적인 내부 절삭유 채널 가스 터빈으로 터 블레이드2에서 모방 축소 열 전송 테스트 모듈을 구성.

2. 적외선 온도 기록 시스템에 대 한 열 방사 계수 결정

  1. 스캔 한 스테인리스 난방 포 일의 뒷면에 보정 된 열전대를 설치 합니다.
  2. 적외선 카메라에서 검색 한 스테인리스 난방 포 일에 검은 페인트의 얇은 레이어를 스프레이.
  3. 수직 난방 포 일의 두 측면에 수직 얇은 스테인리스 포 일 무료 대류 흐름을 공간에 배치 하 여 스테인리스 난방 포 일의 두 측면에 대칭 흐름 필드를 만듭니다.
  4. 난방 포 일을 통해 전기 난방 힘을 공급 하 고 안정 된 상태에서 컴퓨터 디스플레이에서 서 모 커플 및 적외선 온도 기록 시스템에 의해 온도 동시에 측정 하는 방법.
  5. 반복 단계 2.4 적어도 4 번 사용 하 여 히터 능력 상승. 2.3 및 2.4 정한 단계 1.2 Tw 범위를 커버 하는 단계에서 사용 하는 히터 능력에 해당 하는 벽 온도 확인 합니다.
  6. 온도 데이터는 적외선 신호를 변환 하는 프로그램에 대 한 다양 한 선택적 열 방사 계수를 사용 하 여 적외선 온도 기록 시스템에서 검색 한 Tw값을 계산 합니다.
  7. 보정된 서 모 커플 및 적외선 온도 기록 시스템 평가 표준 편차와 열전대 자리에 해당 하는 위치에 의해 측정 Tw 데이터를 비교 합니다.
  8. 2.7 단계에 따라 최소 표준 편차와 열 방사 계수를 선택 합니다.
  9. 2.8으로 결정 하는 열 방사 계수를 사용 하 여 적외선 온도 기록 시스템에 대 한 최대 정밀도 오류를 확인 합니다.

3. 동적 균형의 회전 하는 장비

  1. 회전 장비에 열 전송 테스트 모듈, 적외선 카메라, 무기력 프레임 및 모든 액세서리를 설치 합니다.
  2. 회전 장비의 실행 상태 만족 컴퓨터 디스플레이에 안정적인 열 이미지를 전시 하는 적외선 열감지 측정용 진동 제한 때까지 세력 무게를 점차적으로 조정.

4입니다. 열 손실 계수 평가

  1. 열 절 연재로 열 전송 테스트 모듈의 냉각수 채널을 채우십시오.
  2. 회전 하는 플랫폼에 테스트 모듈을 피팅 하 고 히터 전원 공급 장치 및 모든 경 음악 케이블을 연결 하 여 회전 테스트 장비에 채워진된 테스트 모듈을 설치 합니다.
  3. 검사는 임시 데이터 수집 시스템을 활성화 Tw 유사 정상 상태 조건이 충족 될 때까지 난방 전력에서. 측 두 엽 되도록 여러 연속 스캔 하는 동안 Tw 변이 각 정상 상태 조건에서 0.3 K 미만.
  4. 히터 전원, 정상 Tw 데이터와 해당 온도 T을 기록 합니다.
  5. 고정 회전 속도 단계 4.3 및 4.4 적어도 5 번 사용 하 여 다른 난방 능력을 반복 합니다.
  6. 적어도 5 개의 회전 속도 4.2-4.4 단계 반복 합니다. 회전 속도의 시험 범위 단계 1.2에 의해 결정 하는 모든 N 값을 커버 있는지 확인 합니다.
  7. 4.3 4.6 반전된 회전 방향으로 단계를 반복 합니다.
  8. 각 회전 속도로 벽-주위 온도 차이 대 한 열 손실 유량의 플롯을 생성 합니다.
  9. 벽-주위 온도 차이, 속도 및 회전 방향을 회전의 기능으로 열 손실 계수를 연결 하십시오.
  10. 회계에 대 한 게시물 데이터 프로세스 프로그램으로 열 손실 상관 관계를 통합.

5. 기준선 열 전송 테스트

  1. 대상으로 레이놀즈 번호 0 회전 속도 열 전송 테스트를 수행 (Ro = N = 0) 냉각수 흐름 및 히터 능력 테스트 모듈을 먹이로. 대상 값에서 흐름 항목 비행기에서 레이놀즈 수를 제어 하기 위해 제공 된 냉각수 질량 유량 조정 지속적으로 확인 합니다.
  2. 모든 관련 된 원시 데이터를 정상 상태 벽 온도, 유체 온도, 히터 능력, 흐름 압력 및 주위 압력 및 온도, 후속 데이터 처리를 위해를 포함 하 여 기록 합니다.
  3. 스캔 한 정적 채널 벽에 지역 및 지역 평균 Nusselt 수 (0)를 평가 합니다.

6. 회전 열 전송 테스트

  1. 대상 Re 에서 테스트 조건을 모니터링을 온라인 모니터링 프로그램을 설치 합니다.
  2. 측정 된 냉각수 유량 속도, 공기 압력, 자전 속도 및 채널 입구에서 유체 온도 인스턴트 다시 계산 하는 모니터링 프로그램으로 피드.
  3. 모든 관련 된 원시 데이터를 미리 정의 된 정상 상태 조건 만족 후 후속 데이터 처리에 대 한 벽과 유체 온도 뿐만 아니라 속도, 히터 전원, 공기 및 주위 압력, 회전 등을 기록 합니다.
  4. 6.2 및 적어도 4 오름차순 또는 내림차순 고정 의 세트에서 히터 능력 6.3 단계를 반복 합니다. 회전 속도 또는 냉각수 질량 유량을 조정 하 여 대상 값에서 ± 1% 차이에서 테스트 다시 가 확인 합니다.
  5. 유도 부 력 흐름의 개발 흐름 개발의 "역사"와 관련으로 다른 히터 능력을 가진 고정 다시 의 각 집합에서 열 전달 테스트 수행 지속적으로 확인 합니다.
  6. 4 개 또는 5 대상 레이놀즈 수 (Re) 고정된 회전 수 (Ro)에서 6.4 및 6.5 단계를 반복 합니다. 회전 속도 각 테스트 ± 1% 차이에서 대상 값에서 다시 제어를 다시 적절 하 게 조정 확인 하십시오.
  7. 6.6 4 또는 5 회전 수 (Ro)를 대상으로 사용 하 여 단계를 반복 합니다.
  8. 단계 6.2 6.7 반전된 회전 방향으로 반복 합니다.
  9. 스캔 한 회전 채널 벽 게시물 데이터 처리 프로그램을 사용 하 여 로컬 및 지역 평균 Nusselt 수 ()를 평가 합니다.

7. 파라미터 분석

  1. 지역 평균 Nusselt 수 (0) 레이놀즈 번호의 기능으로는 정적 채널에서 수집을 연결 하십시오.
  2. 전체 필드 지역 평가 / 각 고정된 0 비율 테스트 지역 평균 0 비율 계산.
  3. 지역 및 지역 평균 그려서 격리 다시 효과의 적용을 확인 /0 비율 다른 다시 하지만 동일 에서 얻은.
  4. 지역 평균 그려서 회전 테스트 채널의 열 전달 특성에 부 력 회전의 격리 된 영향 공개0 비율에서 다른 와 같은 수집 / 또는 밀도 비율에 대 한 (Δρ/ρ). 또는 Δρ의 바람직 선택 확인 /이 형식의 열에 대 한 간단한 기능 구조와 일관 된 데이터 추세를 얻기위한 플롯 생성할ρ 상관 관계.
  5. 추정 /0 데이터 추세→0 또는 Δρ의 제한 조건에 다른 다시 하지만 고정된 Ro 에서 수집 /ρ→0.
  6. 모든 추정 된 수집 /0 →0 또는 Δρ와 결과 / 모든 시험된 에서ρ→0.
  7. 추정 된 플롯/뉴0 결과 Ro uncoupled 코리올리 공개에 대 한 상호 작용 사라진된 부 력으로 강제로 열 전송 속성에 대 한 효과.
  8. 소유주의 기능에 단계 7.4 7.7에 의해 수집 된 테스트 결과 연결.

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Representative Results

다시, Ro 회전 가스 터빈 블레이드 내부 내부 냉각수 흐름에 대 한 현실적인 동작 조건 에뮬레이트된 실험실 조건 그림 1에서 비교 됩니다. 데이터 포인트 프로토콜11,,1417,20,21요약 현재 실험 방법을 사용 하 여 현실적인 엔진 조건에가. 데이터 전송 전체 필드 열 회전 채널에서 측정 데이터 전송 지적된 열 보다 더 유용 하지만, 이전 열 전송 실험의 대부분 채택 열전대 방법 (그림 1). 현재 적외선 thermography 메서드는 완전 개발 력 유도 흐름과 함께 회전 표면에서 전체 필드 열 전송 정보를 검색 합니다. 무료 또는 강제 대류 외부 흐름 정적 또는 회전 테스트 채널에 대 한,와 함께 현재 프로토콜 게시 데이터 처리 (그림 2)에 대 한 열 손실 상관 관계의 생성을 포함 합니다. 그림 2의 상단에, 열 전송 테스트 모듈의 건설은 또한 설명 했다. 그림 2 모든 장착된 줄에 대 한 상호 계수 0.95-0.98 사이을. 그림 2에서 N 에 대 한 h손실의 음모에 본 h손실상관 관계에 비추어 오차 막대는 데이터 범위는 각 회전 속도로 결정 나타냅니다.

그림 3, 그림 4그림 5 묘사 선택적 열 전송 결과 정적 2 패스 S-채널 경도 물결 갈비뼈, 회전 2-패스 S 채널3132 회전 주름된 측정 그리고 핀 핀 채널33. 정적 S 늑 골 채널, 회전 S 채널31 측정의 예상된 최대 불확실성 주름 채널32 살 고 핀 핀 채널33 은 7.9%, 8.8%, 9.2%, 9.7%, 각각. 냉각수의 열 전송 속성에 다시 영향을 공개, 그림 3 에 의해 대표 되는 것으로 서 현재 적외선 thermography 메서드에서 정적 채널에서 검색 데이터 베이스 라인 전체 필드 열 전송 필수적입니다. 그림 3 의 상단에 표시 하는 다이어그램 또한 경도 물결 모양의 늑 골 2-패스 S 채널의 채널 구성 묘사. 채널 섹션은 입구 및 출구 다리의 2 개의 반대 온수 벽에 반원형 sectioned 경도 물결 갈비뼈와 정사각형입니다.

는 열 전송 데이터를 제시 하 여 지역 및 지역 평균 열 전달에 소유주 영향 으로부터 격리 된 다시 영향의 적용은 허용 /0 (그림 4). 패턴 및 의 수준 /0 비슷한 와 같은 다시 (그림 4)의 약한 기능을 것 같다. 열 전송 속성에 격리 코리올리 힘 효과 공개 프로토콜에서 전형적인 결과 그림 5에 설명 했다. 그림 5, 의 변형을 위한 물결 모양 endwalls32 와 다이아몬드 모양의 핀 핀33 두 개의 다른 회전 채널 경향이 각0 에 대 한 고정 / 선형 같은 데이터 추세를 따릅니다. 따라서, 선형 추정→0 확인 된 에 대 한 선택은0 레벨 / = 0로 > 0. 하지만, 다른 채널 구성, 인 /0 비율 그림 5 에서처럼 회전 주름된32 핀 핀33 채널에서 측정은 각각 감소 및 를 올려서 증가. 이 점에서 의 묘사 / 밀도 비율에 대 한0 변화 (Δρ/ρ)3,,45,6, 34 종종 비 선형 주도하 고 있다 /0 유사. 따라서, 각 의 추정 / Δρ의 점근 제한 fixed 0 데이터 트렌드 / 비 선형 데이터 추세를 따라 저하 부 력 효과와ρ→0 종종 영향을 상호 기능 선택의 유형입니다. 그럼에도 불구 하 고, 회전 채널32 의 선행 및 후행 벽에서 발견 열 전송 결과 대 한 데이터를 extrapolating 절차를 푸는 열 전달에 격리 코리올리 힘 효과 적용을 보여줍니다. Bu에서 사라진된 부 력 상호 속성 = 0 (그림 5).

소위 제로 부 력 /0 비율만 격리 코리올리 힘 효과 반영 하기 위해 제어 됩니다. 7.7-7.8 단계 공개 정적 채널 참조에서 열 전송 유사의 방식으로 그림 6에 의해 대표 이다. 회전 채널의 열 전달 성과에 부 력 영향에서 분리 영향 의 일부분이 기능으로 상관 /0 상관 관계 (그림 6). 포지티브 또는 네거티브 ψ2 그림 6에서 값 표시는 개선 또는 열 전송 공연 부 력 상호 작용 때문에 효과 방해한. 더 큰 ψ2 크기, 높은 력 회전의 영향 열 전송 속성에 적용 됩니다. 그림 6 에 표시 된 장착된 라인은 상호 기능의 음모. 0-부 력 에 대 한 상관 관계의 기능 구조 /0 비율 및 ψ2 값은 일반적으로 동향 그림 6에에서 등장 하는 데이터의 다양 한 방법에 따라 결정 . 앞에서 설명 했 듯이, 그림 6에서 형상 주름된32 핀 핀33 채널 사이 부정적이 고 긍정적인 ψ2 이끈 각각 다른 채널 값입니다. 하지만 증가 하 여 발생 하는 ψ2 값의 감소 된 크기의 일반적인 기능은 그림6에서 채널32,33 회전의 두 가지 유형에 대 한 관찰. Ψ2 값과 상관 데 /0 함수, 열에 제로 부 력 상태에서 비율 전사는 격리의 평가 허용 하는 상관 관계 및 효과 결합 /0, 특정 회전 채널에 생성 됩니다.

Figure 1
그림 1. 다시, 소유주 범위와 에뮬레이션 된 실험실 조건에서 가스 터빈으로 터 블레이드 회전 냉각수 채널에 대 한 현실. NASA 호스트 프로그램3,4,,56 에 의해 수행 하는 테스트 조건을 바 표시 됩니다 기호. 개방적이 고 단단한 기호는 각각, , 그리고 다시 테스트 지적 및 전체 필드 열 전달 측정 범위 다는 것을 의미 합니다. 괄호 안에 숫자는 참조 데이터에서 가져옵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2. 다양 한 회전 속도30 채널을 사용 하는 사다리꼴 트윈 패스 리브 roughened 회전 설명 예를 들어 일반적인 열 손실 계수 (h손실). 상단에 다이어그램 회전 테스트 모듈의 구조상 세부 묘사. 왼쪽된 하단에 표시 된 벽-주위 온도 차이 대 한 열 손실 유량에 의해 각 데이터 추세의 기울기는 특정 회전 속도에서 열 손실 계수를 보여준다. 연관 하 여 열 손실 계수는 생성된 열 손실 상관 관계 오른쪽 하단 음모에 의해 대표 되는 회계에 대 한 데이터 처리 프로그램에 통합 테스트, 모든 회전 속도 감지. 아래 오른쪽 그림에서 오차 막대 h손실30의 범위를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3입니다. 정적 로컬 Nusselt 수 분배 트윈 패스 S 채널에서 다시 곱슬 갈비뼈에 의해 roughened 15000 현재 적외선 온도 기록 방법에 의해 측정 =. 최고 다이어그램 2-패스 물결 채널 및 경도 S 갈비뼈의 endwall 묘사. AA로 표시 ' 섹션 보기, 경도 S 늑 골의 쌍은 2 개의 반대 채널 endwalls에 배열된 인라인. Nusselt 수 낮은 그림으로 표시 된 두 통과 물결 모양 endwall 통해 자세한 배포에는 2 개의 경도 S 갈비뼈를 따라 데이터 벽 온도 열 유 속의 배포판에 벽 전도 효과 인해 삭제 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4. 로컬 및 지역 평균 열에 영향에서 다시 영향의 절연을 보여 주는 예제 전송 채널 회전의 속성. 상단 부분 전시 자세한 Nusselt 수 배포판 고정된 Ro 에서 5000의 다른 로 0.15의 7500, 계몽에 레이놀즈 수의 영향에 12500 전송 회전 endwall의 속성. 아래 부분에 회전을 통해 지역 평균 열 전송 속성 묘사 선행 및 후행 endwalls. 정규화 된 /0 비율 회전에 의해 회전 되지 않은 시나리오에서 열 전달 변화를 강조. 장 외. 201731허가 적응. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5. 열에 영향에서 uncoupled 효과 보여 주는 예제 전송 채널32,33회전의 속성.- 구동 /0 변형 고정된 에서 얻은 고 각 플롯에 직선으로 표시 의 선형 함수로 상관. 이 장착 되어 라인의 상관 관계 계수 0.96와 0.98 사이을. 의 추정 각 장착된 선 따라→00 데이터 경향을 보여 / / 테스트 0 비율. 크기와 각의 경사- 구동 /0 데이터 동향 공개 열 전송 공연에 부 력 효과의 매너. 슬로프의 크기 대표 에 미치는 영향 도 /0. 포지티브 및 네거티브 슬로프는 각각 열 전송 수준 향상 및 저하 부 력 영향을 반영 한다. 괄호 안에 숫자는 참조 데이터에서 가져옵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6. 회전 하는 물결의 지역 평균된 열 전송 공연에 Uncoupled Ro 효과 채널32,33. 상단 부분 수집 열 전송 시나리오 다양 한 하지만에서 사라진된 부 력 효과 = 0. 이러한 /0 변화는 전적으로 다른 에서 코리올리 힘 다양 한에 의해 발생. 아래쪽에 표시 영향의 유사 에 /0 다른 에서. 부정 긍정적인 ψ2 값을 각각 나타내는 방해 및 개선에 미치는 영향 전송 주름된32 와 핀 핀33 채널 공연. 이 그림에서 점선 라인은 에 대 한 상관 관계 결과 /0 = 0. 괄호 안에 숫자는 참조 데이터에서 가져옵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

적외선 온도 기록 시스템에 의해 회전 채널의 endwall 온도 감지 하는 동안 유체 온도 열전대에 의해 측정 됩니다. 회전 장비를 구동 하는 AC 모터의 대체 자기장 유도 열전대 측정을 방해 하는 전기 잠재력로 DC 모터 회전 테스트 장비를 채택 해야 합니다.

열띤된 채널의 출구 비행기 유체 온도 분포 균일 하지 않습니다. 회전 채널의 기존 평면에 적어도 5 개의 열전대는 로컬 유체 출구 온도 측정 하기 위한 것이 좋습니다. 특히, 이러한 열전대 측정 유체 온도 흐름 통로에 설치 된 회전 테스트 중 원심력 적용 됩니다. 서 모 커플 와이어는 쉽게 뜨거운 채널 벽을 향해 구 부 러. 따라서, 액체는 온도 측정 하기 위한 차폐 된 열전대 케이블 사용 됩니다. 흐름 출구 비행기에 여러 열전대 구슬 메쉬에 weaved 메쉬 회전 테스트 조건 하에서 미리 정의 된 위치에서 유체 출구 온도 감지 하는 테스트 채널의 출구 플랜지 사이 끼여 있습니다.

상당한 회전 회전 채널, 데이터 전송 전체 필드 열 필요 코리올리 힘 및 부 력 효과 포함 하도록 검색을 선택 하는 방법의 흐름 및 열 전달 특성에 부 력 효과 유도 한다. 데이터 전송 전체 필드 열을 측정 하기 위한 과도 액정 방법을 사용 하 여, 열 경계 층 개발 되지 않습니다 아직 완전히 임시 채널 벽 온도 변화는 필수적으로 대류 열을 획득을 위한이 방법으로 계수를 전송 합니다. 구심 성 가속도 10 도달 수로5 는 회전 가스 터빈 블레이드는 현재 실험적인 방법에 의해 감지, 완전 개발된 력 흐름의 영향에 따라 열 전송 데이터의 냉각수 채널에서 g x 디자인 활동에 대 한 더 많은 실용.

적외선 카메라에 스캔된 핫 채널 벽의 노출 난방 포 일에 의해 생성 된 줄 열에서 열 손실을 필연적으로 발생 시킵니다. 열 손실 보정 테스트를 실시 하기 위한 프로토콜이 열 전송 데이터의 품질을 보장 합니다. 정적 또는 회전 테스트 채널에 대 한 무료 또는 강제 대류 외부 흐름에서 상속, 대류 열 전달 계수 상관 수 있다 수 고정 회전 속도 (그림 벽-주위 온도 차이의 기능으로 2). 회전 검사는 "무료-대류" 외부 흐름 처럼 복구를 위한 방패와 전체 회전 열 전송 테스트 모듈을 포함 하는 것이 좋습니다. 열 데이터의 최대 실험적인 불확실성은 일반적으로 제공 된 열 유동에서 열 손실 유량의 비율 감소 감소 된다. 그럼에도 불구 하 고, 열 손실 계수는 약간 증가 N 전체 열 전달 테스트 모듈 (그림 3) 취재 엔벌로프된 방패로도 증가. 열 손실 상관 관계 열 전송 테스트 결과의 각 집합에 대 한 로컬 열 손실 유 속의 분포를 평가 하는 게시물 데이터 처리 프로그램에 포함 됩니다. 단 열 물질에 의해 채워진 열 전송 모듈의 열 관성 상당히 증가로 각 열 동안 안정 상태 조건에 도달 하는 데 필요한 시간 손실 테스트는 상당히 확장 방식의 열 전달 테스트에서 .

회전에 의해 유도 된에서 열 전송 속성에 분리 효과의 적용을 조사 하기 위해 필수적 이다. 열 전송 공연에 다시 효과 채널 구성에 따라 달라 집니다, 정적 채널 열 전송 참조로 다른 채널 형상에서 생성 된 열 전달 상관 관계를 채택 하는 관례 적합 하지 않다. 현재 실험 방법 는 열 전송 데이터를 제시 하 여 소유주 효과에서 다시 영향을 분리 /0, 있는 0데이터에 대 한 측정 정적 테스트 채널입니다. 구심 가속에 대 한 10 회전 채널에 부 력 효과 동안5 x g는 상당한, 정적 채널의 열 전달 재산에 인력 기반 부 력 효과의 일반적인 범위 내에서 일반적으로 무시할 수는 유체 밀도 비율 정적 테스트 채널에 대 한 검사.

열 전송 열 대류를 촉진을 위한 필요한 온도 그래디언트를 생성 하기 위해 히터 전원 공급 후 테스트 하는 동안 회전 채널에서 유도 된 구심 성 가속도 필드에 의해 구동 하는 부 력 효과의 어느 정도 불가피 하다 . 같은 결합 및 현실적인 엔진 조건에서 회전 채널에 대 한 효과 매우 높은 구심 가속도 때문에 무시할 수 없습니다. 따라서, 코리올리 힘 및 부 력 수준 회전은 동시에 변경 회전 속도 조정. 회전 실험 기간 동안 대상 값에 하 고 다시 의 동시 제어 분리 효과 열 전송 속성에 대 한 필수적입니다. 소유주 다시고정 하는 데는 열 전송 열 유 속, 또는 부 력 레벨의 변화에 반영 시험된 에서 열 전송 속성에 회전 부 력 효과. 0 이 방식으로 생성 된 데이터 집합에서 변환 허용 단계 7.4-7.8 코리올리 힘 효과 식별 하 고 격리에서 buoyance 효과 회전의 구현 /.

회전 채널의 열 전달 재산에 충격은 자주 그림 6 변경으로 ψ2 값은 다양 한에 의해 exemplified로 종속. 상관 관계에 있는 독립적인 매개 변수를 소유주 를 취급 하는 열 전송 상관 관계의 수학 구조를 선택 하려면 적합 하지 않다.

볼 /0 추정→0, 선형 같은 의 제한 조건으로 선택한 부 력 매개 변수에 대 한0 변형을 줄이기 위해 바람직합니다 /는 데이터 추정으로 인 한 불확실성입니다. 이 관계, 유체 밀도 비율, Δρ/ρ 또는 부 력은 제로 부 력 노출 부 력 매개 변수 수,, 것이 좋습니다 이러한 데이터 중0 수준 추정 / 프로세스입니다.

고압 회전 테스트, 난방 포 일 및 온도 분포를 자주의 다양 한 패턴에서 열 확장 때문에 회전 채널의 구성 하는 구성 요소의 변형 회전 테스트 동안 공기 누설 발생할. 이러한 작은 공기 누설 회전 테스트 동안 식별 하기가 어렵습니다. 따라서, 즉시 후속 데이터 처리는 회전 채널의 데이터 전송 열 인수에 대 한 것이 좋습니다. 이전 회전 테스트에서 얻은 열 전송 결과 cross-examining 하 여 모든 일치 하지 않는 데이터 추세의 암시는 가능한 공기 누설 이다. 감지 하 여 다음 공기 누설 방지 후속 조치는 필요 합니다.

우리 코리올리 힘 효과와 현실적인 엔진 조건에서 회전 채널의 데이터 전송 열을 생성 하 고 연결 하는 부 력 효과 회전 하는 방법을 설명 했다. 소유주 의 테스트 범위를 확장 하기 위한 현재의 실험 방법의 주요 한계 테스트 채널 회전 적외선 카메라의 지속 이다. 일반적으로, 10 x g 적외선 카메라는 최대 지속 가능한 원심 가속도 이다. 기존 메서드 열 전송 속도의 회전을 감지에 관하여 얇은 난방 포 일의 사용 로컬 대류 열 유 속의 분포 및 온도 검출에 채널 벽 전도의 효과 최소화할 수 있습니다. 벽-액체 인터페이스입니다. 또한, 정상 부 력 효과 따라 회전 표면에 2 차원 전체 필드 열 전송 배포는 현재 실험적인 기술을 사용 하 여 감지. 데이터 분석 방법 개발, 코리올리 힘의 영향 그리고 회전 하는 회전 채널의 전체 필드 열 전송 재산에 부 력 수 있습니다 결합 된. 이 방법은 이미 회전 채널 구성의 넓은 범위에 적용 되었습니다. 우리는 현재 실험적인 전략 이어질 수 있다고 기대 디자인 친화적인 열 전달 상관 관계 하 고 있는 것입니다 계속 적외선 카메라 기술의 발전을 허용 하는 때 현실 엔진 조건의 전체 범위에 대 한 확장의 더 높은 원심 가속도와 조건에서의 용도

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

현재 연구 작업 부여 NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 및 97-2221-E-022-013-MY3 NSC에서 과학과 기술의 대만 의해 재정적으로 원했다.

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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