Découplante Force de Coriolis et rotation effets de flottabilité sur plein champ thermique transfert des propriétés d’un canal rotatif

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Summary

Nous présentons ici une méthode expérimentale pour découpler les interdépendante-la force de Coriolis et les effets de la rotation-flottabilité sur les distributions de transfert de chaleur de plein champ d’un canal rotatif.

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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

Une méthode expérimentale pour découvrir les caractéristiques de transfert de chaleur d’un canal selon l’axe de rotation est proposée. Les paramètres de flux directeurs qui caractérisent les phénomènes de transport dans une chaîne de rotation sont identifiés par l’analyse paramétrique des équations de quantité de mouvement et d’énergie se référant à un référentiel tournant. Basé sur ces équations d’écoulement sans dimension, une stratégie expérimentale qui relie la conception du module de test, le programme expérimental et l’analyse des données est formulé avec la tentative de révéler la force de Coriolis isolée et effets de flottabilité sur chaleur performances de transfert. Les effets de la force de Coriolis et rotation de flottabilité sont illustrées à partir des résultats sélectives mesurées de tourner des canaux avec des géométries différentes. Alors que les-la force de Coriolis et les impacts de la rotation-flottabilité partagent plusieurs traits communs entre les différents canaux de rotation, les signatures de transfert de chaleur unique sont trouvent en liaison avec la direction de l’écoulement, la forme de canal et la disposition de la chaleur transfert des dispositifs de mise en valeur. Quelles que soient les configurations du flux des canaux de rotation, la méthode expérimentale présentée permet de développer des corrélations de transfert de chaleur physiquement cohérentes qui permettent l’évaluation de la force de Coriolis isolée et interdépendante et effets de rotation-flottabilité sur la chaleur transférer les biens des canaux en rotation.

Introduction

Alors que des lois thermodynamiques dictent l’accroissement de la puissance spécifique et l’efficacité thermique d’un moteur à turbine à gaz en élevant la température d’entrée de turbine, plusieurs pièces chaudes du moteur, tels que les aubes de turbine, sont sujets aux dommages thermiques. Refroidissement interne d’une pale de rotor de turbine à gaz permet une température d’entrée de turbine dépassant les limites de température de la résistance au fluage de la matière de la lame. Toutefois, les configurations des canaux de refroidissement internes doivent respecter le profil de la lame. En particulier, le liquide de refroidissement tourne au sein de la pale du rotor. Ces rudes conditions thermiques pour une pale de rotor de turbine à gaz en cours d’exécution, un système de refroidissement de lame efficace est essentiel pour garantir l’intégrité de la structure. Ainsi, les propriétés de transfert de chaleur locale pour un canal de rotation sont importantes pour l’utilisation efficace de l’écoulement du liquide de refroidissement limité disponible. L’acquisition de données de transfert de chaleur utile qui s’applique à la conception des passages dans des conditions réalistes moteur liquide de refroidissement interne est de première importance lorsqu’on élabore une méthode expérimentale pour mesurer les propriétés de transfert thermique d’un simulation de passage à l’intérieur d’une pale de rotor de turbine à gaz de refroidissement.

Rotation à une vitesse supérieure à 10 000 tr/min modifie considérablement les performances de refroidissement d’un canal rotatif à l’intérieur d’une pale de rotor de turbine à gaz. L’identification des conditions du moteur pour un tel canal rotatif est admissible à l’aide de la Loi de similitude. Avec la rotation, les groupes sans dimension qui contrôlent les phénomènes de transport à l’intérieur d’un canal radial tournant peuvent être révélées en dérivant les équations d’écoulement par rapport à un référentiel tournant. Morris1 a calculé l’équation de conservation d’élan du débit par rapport à un référentiel tournant comme :

Equation 1(1)

Dans l’équation (1), la vitesse locale du fluide, , avec le vecteur position, , par rapport à un référentiel tournant à la vitesse angulaire, ω, est affecté par l’accélération de Coriolis en termes de 2 (ω×), la force de flottabilité centripète découplée, β(T-TRéf) (ω×ω×), le gradient de pression de piézoélectrique-métrique conduit, Equation 16 et la viscosité dynamique du fluide, ν. La densité du fluide référencée, ρRéf, parle d’une température de référence de fluide prédéfinis Tref, qui est typique de la température locale de vrac liquide pour des expériences. Si la transformation irréversible de l’énergie mécanique en énergie thermique est négligeable, l’équation de conservation d’énergie est réduite à :

Equation 2(2)

Le premier terme de l’équation (2) est obtenu en traitant l’enthalpie spécifique directement reliée à la température du fluide locale, T, par l’intermédiaire de la constante la chaleur spécifique, Cp. Comme la perturbation de la densité du fluide causée par la variation de température du fluide dans un canal rotatif chauffé fournit une influence considérable sur le mouvement des fluides lorsqu’il relie avec l’accélération centripète dans l’équation (1), la vitesse du fluide et champs de température dans un canal selon l’axe de rotation sont couplés. Aussi, fois Coriolis et des accélérations centripètes varient en même temps que la vitesse de rotation est ajustée. Ainsi, les effets de la force de Coriolis et rotation de flottabilité sur les champs de température et de vitesse du fluide sont naturellement associés.

Équations (1) et (2) dans les formes sans dimension divulguer les paramètres de flux qui régissent la convection de la chaleur dans un canal rotatif. Avec un flux de chaleur uniforme fondamentalement imposé sur un canal rotatif, la température locale de vrac liquide, Tb, augmente de façon linéaire dans la direction longitudinale, s, à partir du niveau de référence d’entrée, Tref. La température locale de vrac liquide est déterminée comme TRéf + τs, où τ est le gradient de la température du fluide en vrac dans le sens d’écoulement. Substitutions des paramètres sans dimension de :

Equation 3(3)

Equation 4(4)

Equation 5(5)

Equation 6(6)

Equation 7(7)

dans les équations (1) et (2), où Vsignifie, N et d représentent respectivement le débit moyen par le biais de vitesse, vitesse de rotation et diamètre hydraulique de canal, les équations de quantité de mouvement et d’énergie sans dimension flux sont dérivées les équations (8) et (9) respectivement.

Equation 8(8)

Equation 9(9)

De toute évidence, η dans l’équation (9) est une fonction de Re, Roet Bu = Ro2βτdR, qui sont respectivement appelés nombres de Reynolds, de rotation et de flottabilité. Le nombre de Rossby qui quantifie le rapport entre l’inertie et les forces de Coriolis est équivalent au nombre de rotation inverse dans l’équation (8).

Lors du calcul de Tb TRéf + τs dans un canal rotatif soumis à un flux de chaleur uniforme, la valeur τ peut être également évaluée comme Qf/ (mCpL) dans lequel Q f, m et L sont la puissance de chauffage par convection, liquide de refroidissement Vitesse d’écoulement de masse et canaux longueur, respectivement. Ainsi, la température adimensionnelle vrac liquide local, ηb, est égale à s/d et la température sans dimension au mur de canal, ηw, rendements [(Tw-Tb ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Avec le taux de transfert de chaleur par convection défini comme Qf/ (Tw-Tb), la différence de la température du mur-à-fluide sans dimension, ηw-ηb, est transformable en le nombre de Nusselt local via l’équation (10) dans laquelle ζ/ζ est la fonction de la forme adimensionnelle de zone et l’aire de la section canal de chauffage.

Equation 10(10)

Avec un ensemble de géométries prédéfinis et des conditions aux limites thermiques et hydrodynamiques, les groupes sans dimension contrôlant le nombre de Nusselt local d’une chaîne de rotation sont identifiés comme :

Equation 11(11)

Equation 12(12)

Equation 13(13)

Avec les tests expérimentaux, l’ajustement de vitesse, N, tournante pour divers Ro générer le transfert de chaleur données à différentes concentrations de forces de Coriolis inévitablement changent l’accélération centripète et donc, la force relative des rotation de flottabilité. En outre, un ensemble de données de transfert de chaleur prélevés par un canal de rotation est toujours soumis à un degré fini de tourner l’effet de flottabilité. De divulguer les effets individuels de la force de Coriolis et de la flottabilité sur le transfert de chaleur performance d’une chaîne de rotation nécessite le découplage des effets Ro et Bu sur Nu propriétés par le biais de la procédure de traitement des données de poste qui C’est inclus dans la présente méthode expérimentale.

Les conditions d’écoulement de moteur et de laboratoire pour un canal rotatif à l’intérieur d’une pale de rotor de turbine à gaz peuvent être spécifiées par les chaînes de Re, Ro et Bu. Les conditions moteur typique pour le liquide de refroidissement traversent une pale de rotor de turbine à gaz, ainsi que la construction et la mise en service de l’installation d’essai tournante permettant aux expériences à effectuer près des conditions de réelle du moteur a été signalée par Morris2 . Selon les conditions moteur réaliste résumées par Morris2, Figure 1 construit les conditions d’exploitation réalistes en termes de gammes Re, Ro et Bu pour un canal de liquide de refroidissement tournante dans une pale de rotor de turbine à gaz. Dans la Figure 1, l’indication de la pire condition un moteur est dénommée le moteur en marche la condition à la vitesse de rotor plus élevée et le plus haut ratio de densité. Dans la Figure 1, la limite inférieure et moteur pire conditions d’exploitation respectivement émergent à des vitesses de moteur plus bas et plus haut. Il est extrêmement difficile de mesurer la distribution de Nu de plein champ d’un canal rotatif fonctionnant à une vitesse de véritable moteur entre 5 000 et 20 000 tr/min. Toutefois, se fondant sur la Loi de similitude, laboratoire essais ont été effectués à vitesse de rotation réduite, mais avec plusieurs tentatives pour assurer une couverture complète de la gamme de Re, Ro et Bu real-moteurs. Une méthode expérimentale novatrice, l’hôte de la NASA programme3,4,5,6 a adopté les essais à haute pression pour augmenter les densités de fluide à la prédéfinis Re en afin d’étendre la portée de la Ro en réduisant la vitesse moyenne du fluide. À cet égard, les relations spécifiques entre les Re, Ro et Bu d’un gaz idéal avec une constante de gaz et Rcviscosité, μ, sont associées comme :

Equation 14(14)

Equation 15(15)

Pour rapprocher les conditions de laboratoire dans la correspondance nominale moteur conditions illustré à la Figure 1, la rotation vitesse, N, liquide de refroidissement, la pression P, canal hydraulique diamètre d, la rotation de rayon, R, et différence de la température du mur-à-fluide, Tw-Tb, doivent être contrôlés pour faire correspondre les intervalles Re, Ro et Bu réalistes. De toute évidence, une des approches plus efficaces pour étendre la gamme de Ro est d’augmenter le diamètre hydraulique de canal, comme Ro est proportionnelle à d2. Comme le test de transfert de chaleur laboratoire réaliste N est extrêmement difficile, la pression du liquide de refroidissement, P, est techniquement plus facile de se déclencher pour étendre la gamme Ro ; même si Ro n’est proportionnelle à l’envers. Basé sur cet arrière-plan théorique, la philosophie de conception de la méthode expérimentale actuelle est d’augmenter la Ro en pressurisant le canal rotatif de test en utilisant le diamètre hydraulique maximale canal a permis de s’intégrer dans la plate-forme tournante. Après avoir élargi la gamme de Ro , la gamme des Bu est donc prolongée Bu étant proportionnelle à Ro2. Dans la Figure 1, les conditions d’essai de laboratoire a adopté pour générer les données de transfert de chaleur des canaux en rotation sont également inclus3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. comme indiqué dans la Figure 1, la couverture des conditions du moteur réaliste par les données de transfert de chaleur disponible est encore limitée, en particulier pour la gamme des valeurs requises Bu . L’open et des symboles de couleurs solides à la Figure 1 sont les expériences de transfert de chaleur pointu et de plein champ, respectivement. Recueilli dans la Figure 1, la plupart de la chaleur transférer des données avec des applications de refroidissement à turbine à gaz rotor blades1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 sont point de mesures à l’aide de la méthode de thermocouple. Les effets de conduction du mur sur la mesure de la paroi conductrice flux de chaleur et les températures aux interfaces liquide-paroi porter atteinte à la qualité des données de transfert de chaleur converties à partir des mesures par thermocouple. En outre, la chaleur transfert mesures1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 à l’aide de la méthode de thermocouple ne peut pas détecter les variations de transfert de chaleur à deux dimensions sur une surface de rotation. La présente méthode expérimentale29,30,31,32, la détection des distributions de nombre de Nusselt plein champ par-dessus le mur de canal rotatif est permise. La réduction de l’effet de conduction de mur à l’aide de feuilles d’inox épaisseur 0,1 mm avec un nombre de Biot >> 1 pour générer la puissance de chauffe de la méthode expérimentale actuelle permet la conduction de chaleur unidimensionnelle de la grille de chauffage à l’écoulement du liquide de refroidissement. En particulier, l’acquisition des données de transfert de chaleur de plein champ impliquant des effets Ro tant Bu n’est pas admissible à l’aide de la technique transitoire des cristaux liquides et la méthode de thermocouple. Avec l’actuel équilibre liquide crystal thermographie méthode19, la plage de 35-55 ° C température détectable désactive la génération de données de transfert de chaleur avec des rapports de densité réaliste.

En utilisant les paramètres de flux qui régissent la convection de la chaleur dans un canal rotatif pour démontrer que la couverture complète des conditions réalistes moteur vu dans la Figure 1 , n’a pas encore été atteint, alors la nécessité pour l’acquisition de la chaleur de plein champ transférer des données à conditions du moteur réaliste a été continuellement exhorté. La présente méthode expérimentale permet la génération de transfert de chaleur de plein champ avec-la force de Coriolis et effets de rotation-flottabilité détectés. Les protocoles visent à aider les chercheurs à élaborer une stratégie expérimentale pertinente à la mesure de transfert thermique de plein champ réaliste d’un canal rotatif. Avec la méthode d’analyse paramétrique qui est unique à la méthode expérimentale, la génération de corrélation de transfert de chaleur pour évaluer les effets isolés et interdépendants Ro et Bu sur Nu est autorisée.

L’article illustre une méthode expérimentale vise à générer les données de transfert de chaleur bidimensionnel d’un canal rotatif avec des conditions d’écoulement semblables aux conditions réalistes de turbine à gaz moteur entreprises mais bien à basse vitesse de rotation dans le laboratoires. La méthode développée pour sélectionner la vitesse de rotation, le diamètre hydraulique du canal de test et la gamme de différences de la température du mur-à-fluide pour acquérir le transfert de chaleur donnée aux conditions du moteur réaliste est illustrée dans l’introduction. L’étalonnage du système de thermographie infrarouge, l’étalonnage de perte de chaleur tests et le fonctionnement du banc d’essai de transfert de la chaleur tournante sont indiqués. Facteurs à l’origine des incertitudes significatives pour la chaleur de transfert des mesures et des procédures pour le découplage de la force de Coriolis et de flottabilité effets sur les propriétés de transfert thermique d’une chaîne de rotation sont décrits dans l’article avec le sélectif résultats pour démontrer la méthode expérimentale.

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Protocol

Remarque : Les détails des installations d’essai, d’acquisition de données, traitement des données et le module de test de transfert de chaleur émulant un canal de refroidissement interne d’une pale de rotor de turbine à gaz en rotation sont dans nos précédents travaux29,30,31 ,,32.

1. préparation des Tests de transfert de chaleur

  1. Formuler les conditions expérimentales en termes Re, Ro et Bu aux conditions d’opération ciblée d’une pale de rotor de turbine à gaz.
  2. Déterminer les N, P, d, Ret Tw - Tb nécessaire pour acquérir les testé Re, Ro et Bu à l’aide des équations (14) et (15).
  3. Redéfinir le ciblage Re, Ro et Bu si N, P, d, Ret Tw - Tb dépasse la limite des installations expérimentales.
  4. Concevoir et construire le module de test de transfert de chaleur à l’échelle émulant un canal de liquide de refroidissement interne pratique dans une turbine à gaz rotor blade2.

2. détermination du Coefficient d’émissivité thermique pour système de thermographie infrarouge

  1. Installer le thermocouple étalonné sur la face arrière de la feuille scannée de chauffage en acier inoxydable.
  2. Vaporiser une fine couche de peinture noire sur la feuille d’acier inoxydable chauffage scannée par la caméra infrarouge.
  3. Créer des champs de débit symétrique sur les deux côtés de la feuille de chauffage en acier inoxydable en plaçant une feuille d’acier inoxydable mince verticale dans un espace avec la libre circulation convective au-dessus des deux côtés de la feuille de chauffage vertical.
  4. Alimentez le chauffage électrique par le biais de la grille de chauffage et de mesurer simultanément les températures par thermocouple et infrarouge système de thermographie de l’écran de l’ordinateur à l’état stable.
  5. Répétez l’étape 2.4 en utilisant au moins quatre fois élevée des puissances de chauffage. S’assurer que les températures de mur correspondant aux puissances chauffage utilisés par étapes 2.3 et 2.4 couvrent la gamme Tw déterminée par étape 1.2.
  6. Calculer les valeurs de Twanalysés par le système de thermographie infrarouge à l’aide d’un certain nombre de coefficients d’émissivité thermique sélectif pour le programme qui convertit les signaux infrarouges en données sur la température.
  7. Comparer les données de Tw mesurées par le thermocouple étalonné et le système de thermographie infrarouge à l’emplacement correspondant à la tache de thermocouple avec les écarts évalués.
  8. Sélectionnez le coefficient d’émissivité thermique avec l’écart minimal déterminé par étape 2.7.
  9. Déterminer l’erreur de précision maximale pour le système de thermographie infrarouge à l’aide du coefficient d’émissivité thermique déterminé par étape 2.8.

3. dynamic Balance des Rig en rotation

  1. Installez le module de test de transfert de chaleur, la caméra infrarouge, l’armature enveloppante et tous les accessoires sur la plate-forme tournante.
  2. Ajuster le poids équilibrage progressivement jusqu'à ce que l’état de fonctionnement de la plate-forme rotative respecte la limite de vibration pour les mesures thermographiques infrarouges exposer l’image thermique stable sur l’écran de l’ordinateur.

4. évaluation des Coefficients de perte de chaleur

  1. Remplir le canal de liquide de refroidissement de la module de test de transfert de chaleur avec le matériau d’isolation thermique.
  2. Installer le module de test rempli sur le banc d’essai de rotation mise en place le module de test sur la plate-forme tournante et branchez l’alimentation du chauffe-eau et tous les câbles instrumentales.
  3. Activer le système d’acquisition de données pour analyser le temporal variation Tw à une puissance de chauffage jusqu'à ce que la condition de l’état d’équilibre est respectée. Veiller à ce que le temporel Tw variations au cours de plusieurs balayages successifs sont moins +0,3 K à chaque État de l’état stationnaire.
  4. Consigner la puissance de chauffe, équilibre Tw données et la température ambiante correspondante, T.
  5. Répétez les puissances de chauffage différentes étapes 4.3 et 4.4 en utilisant au moins cinq fois à une vitesse de rotation fixe.
  6. Répétez les étapes 4.2-4.4 au moins cinq vitesses de rotation. Veiller à ce que la gamme de contrôle de la vitesse de rotation couvre toutes les valeurs de N , déterminées par l’étape 1.2.
  7. Répétez les étapes 4.3 à 4.6 avec un sens de rotation inversé.
  8. Construire les parcelles des flux de perte de chaleur contre la différence de mur-à température ambiante à chaque vitesse de rotation.
  9. Corrélation entre les coefficients de perte de chaleur comme les fonctions de différence de température mur-à-ambient, tournant à vitesse et sens de rotation.
  10. Incorporer la corrélation de perte de chaleur dans le programme de processus de données post pour la comptabilité des Nu .

5. Tests de transfert de chaleur base

  1. Effectuer des tests de transfert de chaleur dans le ciblage des nombres de Reynolds à zéro vitesse de rotation (Ro = N = 0) en se nourrissant des flux de liquide de refroidissement et de puissances de chauffage pour le module de test. S’assurer que le débit massique du liquide de refroidissement fourni est constamment ajusté afin de contrôler le nombre de Reynolds à l’avion d’entrée de flux à la valeur de ciblage.
  2. Enregistrer toutes les données brutes pertinentes, dont les températures de paroi de l’état stationnaire, températures du fluide, puissances de chauffage, pressions de flux et ambiantes pressions et des températures, pour traitement ultérieur de données.
  3. Évaluer le nombre de Nusselt local et zone moyenne (Nu0) sur les parois du canal statique numérisée.

6. rotation des Tests de transfert de chaleur

  1. Installez le programme en ligne de surveillance pour surveiller les conditions d’essai au ciblage Re et Ro.
  2. Nourrir le débit massique du liquide de refroidissement mesurée, débit pression, rotation de vitesse et température du fluide à l’entrée du chenal dans le programme de surveillance pour calculer l’instant Re et Ro.
  3. Enregistrer toutes les données brutes nécessaires, comme la rotation vitesse, puissance de chauffage, d’air et pressions ambiantes, ainsi que les températures de paroi et fluide pour traitement ultérieur de données après que la condition d’équilibre prédéfinie est satisfaite.
  4. Répétez les étapes 6.2 et 6.3 au moins quatre croissant ou décroissant des puissances de chauffage à un ensemble fixe de Re et de Ro. S’assurer que le test Re et Ro relèvent de ±1 % différences avec les valeurs de ciblage en ajustant la vitesse de rotation, le débit massique du liquide de refroidissement ou les deux.
  5. Veiller à ce que les tests de transfert de chaleur à chaque ensemble de fixe Re et Ro avec des puissances de chauffage différentes sont effectuées en continu comme le développement des flux de flottabilité induite est associé à le « histoire » de l’évolution des flux.
  6. Répétez les étapes 6.4 et 6.5 avec quatre ou cinq ciblage nombres de Reynolds (Re) à un nombre fixe de rotation (Ro). S’assurer que la vitesse de rotation est correctement ajustée à chaque essai Re pour contrôler les valeurs de ciblage dans les différences de ±1 % Re et Ro .
  7. Répétez l’étape 6,6 à l’aide de quatre ou cinq ciblant les numéros de rotation (Ro).
  8. Répétez les étapes 6.2 à 6.7 avec sens de rotation inversé.
  9. Évaluer le nombre de Nusselt local et zone moyenne (Nu) sur les parois du canal tournante numérisée à l’aide d’un programme de traitement de données post.

7. contrôle parametric Analysis

  1. Corrélation entre les numéros de Nusselt zone moyenne (Nu0) provenant de la chaîne statique dans les fonctions du nombre de Reynolds.
  2. Évaluer le plein champ local Nu/Nu0 rapports à chaque fixe Re et Ro testé avec la zone moyenne Nu/Nu0 ratios calculés.
  3. Vérifier l’applicabilité de l’isolement Re effet en traçant le local et zone moyenne Nu/Nu0 rapports obtenus avec différentes Re mais à identiques Ro.
  4. Divulguer les impacts isolés des tournantes flottabilité sur des propriétés de transfert thermique de la chaîne de test tournante en traçant la zone moyenne Nu/Nu0 rapports recueillis à la même Ro avec différentes Re contre Bu ou densité ratio (Δρ/ρ). Assurer la sélection préférable de Bu ou Δρ/ρ pour construire ce type de terrain pour l’obtention de la tendance des données cohérentes avec une structure simple et fonctionnelle pour la chaleur de transfert corrélation.
  5. Extrapoler chaque Nu/Nu0 tendance de données recueillies à un fixe Ro mais différentes Re dans la condition restrictive de Bu→0 ou Δρ/ρ→0.
  6. Recueillir tous les extrapolée Nu/Nu0 résultats ayant Bu→0 ou Δρ/ρ→0 à toutes les testés Ro.
  7. Tracer le extrapolée Nu/Nu0 résultats avec interaction flottabilité disparu contre Ro de divulguer la déboîter Coriolis force effets sur les propriétés de transfert de chaleur.
  8. Corréler les résultats recueillis par étapes 7.4 et 7.7 dans les fonctions de Ro et Bu.

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Representative Results

Les conditions d’exploitation réalistes pour le flux de liquide de refroidissement interne à l’intérieur d’une lame rotative de turbine à gaz en termes de Re, Ro et Bu sont comparées avec les conditions de laboratoire émulé dans la Figure 1. Les points de données tombent dans des conditions réalistes de moteur en utilisant la méthode expérimentale actuelle résumée dans les protocoles11,14,17,20,21. Bien que les données de transfert de chaleur de plein champ sont plus utiles que les données de transfert de chaleur pointu mesurées à partir des canaux de rotation, la plupart des précédentes expériences de transfert de chaleur adopte la méthode de thermocouple (Figure 1). La présente méthode de thermographie infrarouge détecte les informations de transfert de chaleur de plein champ d’une surface de rotation avec le flux induite par flottabilité entièrement développé. Avec les libres ou forcées convectives externe des flux pour la statique ou la rotation d’essai canal, les protocoles actuels incluent la génération des corrélations de perte de chaleur pour le post-traitement de données (Figure 2). En haut de la Figure 2, la construction de la module de test de transfert de chaleur est également démontrée. Les coefficients de corrélation pour toutes les lignes ajustées, illustrés par la Figure 2 comprises entre 0,95 à 0,98. Compte tenu de la corrélation de hpertevue dans l’intrigue de hpertecontre N à la Figure 2, les barres d’erreur indiquent la plage de données déterminé à chaque vitesse de rotation.

La figure 3, Figure 4et Figure 5 illustrent les résultats de transfert de chaleur sélective mesurées entre le statique canal S deux passes longitudinales côtes ondulées, la rotation deux passes S-canal31 et la rotation sillonnée32 et pin rouge canal33. L’incertitude maximale estimée des mesures Nu pour le canal S striées statique, la rotation de S-canal31, sillonné de canal32 et pin rouge canal33 sont de 7,9 %, 8,8 %, 9,2 % et 9,7 %, respectivement. Pour révéler l’impact Re sur les propriétés de transfert thermique d’un canal de liquide de refroidissement, les données de transfert de chaleur de plein champ de ligne de base détectées à partir de la chaîne statique de la méthode actuelle de la thermographie infrarouge comme illustrés par la Figure 3 sont essentielles. Le schéma indiqué dans la partie supérieure de la Figure 3 représente la configuration des canaux du profilé S en deux passes avec les nervures longitudinales ondulés. La section du canal est d’équerre avec les côtes ondulées longitudinales sectionnées semi-circulaire sur deux murs chauffants opposés des jambes d’entrée et de sortie.

L’applicabilité d’isolé Re impact des effets de Ro et Bu sur le transfert de la chaleur locale et régionale en moyenne est permise en présentant les données de transfert de chaleur en termes de Nu/Nu0 (Figure 4). Les deux modèles et les niveaux de Nu/Nu0 au même Ro avec semblable Bu semblent être faibles fonctions de Re (Figure 4). Les résultats typiques du protocole pour avoir divulgué les effets de la force de Coriolis isolés sur les propriétés de transfert thermique sont illustrés dans la Figure 5. Dans la Figure 5, les variations de Nu/Nu0 à chacun fixe Ro contre Bu pour deux différents canaux tournantes avec parois d’extrémité ondulée32 et diamant en forme de broche-nageoires33 tendent à suivre les tendances de données de type linéaire. Ainsi, l’extrapolation linéaire lorsque Bu→0 est sélectionné pour le identifiés Nu/Nu0 niveaux UB = 0 et Ro> 0. Mais, en raison des configurations de canaux différents, le Nu/Nu0 rapports mesurées à partir de la rotation sillonnée32 et pin-nageoire33 canaux tel que représenté dans la Figure 5 sont respectivement inférieures et augmenté en soulevant Bu. À cet égard, la représentation du Nu/Nu0 variantes contre rapport densité (Δρ/ρ)3,4,5,6, 34 a souvent conduit à la non linéaire Nu/Nu0 variations. Ainsi, l’extrapolation de chaque Nu/Nu0 données de tendance à un fixe Ro vers la limite asymptotique de Δρ/ρ→0 avec effet de flottabilité réduite suivant une tendance non linéaire de données est souvent affectée par les type de fonction correspondante sélectionnée. Néanmoins, la procédure extrapolation de données pour les résultats de transfert de chaleur détectée sur les murs de début et de fin de la rotation de canaux32 démontre l’applicabilité pour démêler les effets de la force de Coriolis isolés sur le transfert de chaleur Propriétés avec interaction flottabilité disparu UB= 0 (Figure 5).

La dite zéro-flottabilité Nu/Nu0 rapports sont contrôlées uniquement par Ro pour refléter les effets de la force de Coriolis isolé. La manière des variations de transfert de chaleur depuis les références statiques-canal divulgués par étapes 7.7 et 7.8 est caractérisée par la Figure 6. L’impact Ro séparé de l’effet de flottabilité sur les performances de transfert de chaleur d’un canal rotatif est corrélé que la fonction de Ro à faire partie de Nu/Nu0 corrélation (Figure 6). Le positif ou négatif ψ2valeurs à la Figure 6 indiquent l’amélioration ou entraver les effets sur les performances de transfert de chaleur en raison des interactions de flottabilité. L’ampleur ψ2 plus grande, les plus hauts degrés de rotation de flottabilité impact sont imposées sur les propriétés de transfert thermique. Les lignes équipées a indiqué à la Figure 6 sont les parcelles des fonctions corrélatives. Les structures fonctionnelles des corrélations pour zéro-flottabilité Nu/Nu0 les ratios et les valeurs ψ2 sont généralement déterminées par les différentes manières des données tendances apparues dans Figure 6 . Tel que discuté précédemment, le canal différent géométries entre le sillonnée32 et pin rouge33 canaux ont conduit respectivement au positif et négatif ψ2 valeurs à la Figure 6. Mais la caractéristique commune des grandeurs réduites des valeurs ψ2 causés en augmentant la Ro est observée pour les deux types de rotation canaux32,33 à la Figure 6. Avoir une corrélation entre les valeurs ψ2 et le Nu/Nu0 dans des conditions de zéro-flottabilité dans les fonctions de Ro , la chaleur de transfert, corrélations, qui permettent l’évaluation de l’isolement et couplé effets Ro et Bu sur Nu/Nu0, est généré pour le seul canal rotatif.

Figure 1
Figure 1. Réaliste d’utilisation Re, Ro et Bu et les conditions de laboratoire émulé pour un canal de liquide de refroidissement tournante dans une pale de rotor de turbine à gaz. Les conditions d’essai effectuées par la NASA hôte programme3,4,5,6 sont indiquées sous la barre de symbole. Les symboles ouvertes et solides signifient respectivement que le Bu, Roet Re tester gammes pour les mesures de transfert de chaleur pointu et plein champ. Les numéros entre parenthèses sont des références d'où proviennent les données. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Coefficients de perte de chaleur typique (hperte) à différentes vitesses tournantes30 utilisant le trapèze twin côtes-rugueuse rotatif canal de passage comme exemple. Le diagramme en haut représente les détails de structure du module test tournante. La pente de chaque tendance de données constituée par le flux de perte de chaleur contre la différence de mur-à température ambiante indiquée dans la partie inférieure gauche révèle le coefficient de perte de chaleur à la vitesse de rotation spécifique. En corrélant les coefficients de perte de chaleur détectée à tous la vitesse de rotation testée, la corrélation de perte de chaleur générée typifiée par le tracé inférieur droit est incorporée dans le programme de traitement de données pour la comptabilité des Nu . Les barres d’erreur dans la parcelle de droite inférieure indiquent les gammes de hperte30. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
La figure 3. Local Nusselt numéro distribution de l’électricité statique twin-pass S-canal rugueuse par des côtes bouclés à Re = 15 000 mesurée par la méthode actuelle de thermographie infrarouge. Le schéma du haut de la page dépeint la paroi du canal ondé deux passes et les S-côtes longitudinales. Comme il est indiqué par l’AA ' vue en coupe, la paire de S-côtes longitudinales est "inline" disposée sur deux opposé canal parois d’extrémité. Dans la répartition détaillée du nombre de Nusselt sur la paroi ondulée deux passes montré comme l’intrigue plus faible, les données de Nu le long des deux S-côtes longitudinales sont supprimées en raison des effets de conduction du mur sur la répartition de la chaleur-flux et la température de la paroi. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Obtenir des exemples illustrant l’isolement des effets Re Ro et Bu effet sur chaleur locale et régionale moyenne de transférer les biens des tournantes canal. La partie supérieure montre les distributions numéros Nusselt détaillées à un fixe Ro de 0,15 avec une autre Re de 5000, 7500, et propriétés de la paroi rotative de transfert 12 500 pour éclairer les impacts du nombre de Reynolds sur la chaleur. La partie inférieure dépeint les propriétés de transfert de chaleur moyenne zone sur la rotation parois d’extrémité de début et de fin. Le normalisée Nu/Nu0 rapports mettre en évidence les variations de transfert de chaleur des scénarios non tournantes en rotation. Adapté avec la permission de Chang et coll. 201731. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Obtenir des exemples illustrant l’effet Ro découplé de Bu impact sur chaleur transférer les biens des tournantes canal32,33. Chaque Bu-moteur Nu/Nu0 variation est obtenue à la fixe Ro et corrélation en fonction linéaire de la Bu comme indiqué par la ligne droite à chaque parcelle. Les coefficients de corrélation de ces lignes ajustées comprises entre 0,96 et 0,98. L’extrapolation de la Nu/Nu0 données tendance →0 Bule long de chaque ligne équipée révèle la Nu/Nu0 ratio à la testé Ro. L’ampleur et la pente de chaque Bu-moteur Nu/Nu0 tendance de données divulguer les manières de prise d’effet de flottabilité sur les performances de transfert de chaleur. Les amplitudes des pistes représentent les degrés d’efficacité Bu sur Nu/Nu0. Les pentes positives et négatives respectivement reflètent l’impact de flottabilité amélioration et attentatoire sur niveaux de transfert de chaleur. Les numéros entre parenthèses sont des références d'où proviennent les données. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Dételés Ro et Bu des effets sur les performances de transfert thermique au niveau régional en moyenne de la rotative ondulés canal32,33. La partie supérieure recueille les scénarios de transfert de chaleur à divers Ro mais avec effet de flottabilité disparu UB = 0. Ces Nu/Nu0 variations sont uniquement causée par les diverses Coriolis force à différents Ro. La partie inférieure montre les variations de Bu impact sur Nu/Nu0 à différents Ro. La négative et positive les valeurs ψ2 indiquent la respectifs portant atteinte et amélioration Bu impacts sur la chaleur transfert performances chez les sillonnée32 et pin rouge33 canaux. Les lignes pointillées dans cette Figure sont les résultats de la corrélation pour Nu/Nu0 UB = 0. Les numéros entre parenthèses sont des références d'où proviennent les données. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Alors que la température de la paroi d’un canal de rotation est détectée par un système de thermographie infrarouge, les températures du fluide sont mesurés par thermocouples. Comme le champ magnétique alternatif d’un moteur à courant alternatif qui alimente une plate-forme tournante induit électriques susceptibles de perturber les mesures de thermocouple, le moteur à courant continu doit être adapté pour conduire un banc d’essai de rotation.

La distribution de la température du fluide au-dessus du plan de sortie d’un canal chauffée n’est pas uniforme. Au moins cinq thermocouples sur le plan existant d’un canal de rotation sont recommandés pour mesurer les températures de sortie fluide. En particulier, ces thermocouples mesurant les températures du fluide installés dans le passage de flux sont soumis à des forces centrifuges lors des essais de rotation. Les fils de thermocouple sont facilement pliés vers les parois du canal chaud. Ainsi, un câble blindé thermocouple pour mesurer la température d’entrée fluide est utilisé. Sur le plan de sortie de flux, un maillage avec plusieurs perles de thermocouple tissé sur le maillage peut être pris en sandwich entre les brides de sortie d’un canal de test pour détecter les températures de sortie fluide aux endroits prédéfinis sous une condition de test tournante.

Avec rotation considérable a induit des effets de flottabilité sur les caractéristiques de transfert de flux et de la chaleur d’un canal de rotation, la méthode choisie pour détecter que les données de transfert de chaleur de plein champ doivent inclure les effets-la force de Coriolis et de flottabilité. Aide de la méthode transitoire de cristaux liquides pour mesurer les données de transfert de chaleur de plein champ, les couches limites thermiques ne sont pas encore complètement développées les variations de température de canal-mur temporelles sont impératives par cette méthode d’acquisition de la chaleur par convection coefficients de transfert. Comme l’accélération centripète pourrait atteindre 105 x g dans un canal de liquide de refroidissement d’une lame rotative de turbine à gaz, les données de transfert de chaleur soumis aux influences des flux flottabilité entièrement développés, qui sont détectables par la méthode expérimentale, sont plus pratique pour les activités de conception.

L’exposition de la paroi du canal chaud balayé à une caméra infrarouge entraîne inévitablement la perte de chaleur de la chaleur de Joule générée par les foils de chauffage. Les protocoles des essais de calibration de perte de chaleur sont essentiels pour assurer la qualité des données de transfert de chaleur. L’héritage soit sur les flux externes convection libres ou forcées pour un canal d’essai statiques ou tournantes, les coefficients de transfert de chaleur par convection peuvent être corrélées que la fonction de la différence de mur-à température ambiante à une vitesse de rotation fixe (Figure 2). il est préférable pour envelopper le module complet de test transfert rotatif de chaleur avec un bouclier pour récupérer le « libre-convection » comme des flux extérieurs lors des essais de rotation. Les incertitudes expérimentales maximales des données de transfert de chaleur sont généralement réduites lorsque le pourcentage du flux de perte de chaleur depuis le flux de chaleur fournie est réduit. Néanmoins, les coefficients de perte de chaleur sont légèrement augmentés parce que N augmente encore avec le bouclier enveloppé couvrant le module de test de transfert de chaleur ensemble (Figure 3). La corrélation de perte de chaleur est incluse dans le programme de traitement des données pour évaluer la distribution des flux de perte de chaleur locale pour chaque ensemble de résultats de test pour le transfert thermique. Lorsque l’inertie thermique du module de transfert de chaleur rempli de matériau d’isolation thermique est considérablement augmentée, le temps nécessaire pour atteindre l’état d’équilibre lors de chaque manche essai de perte a été étendue à partir d’un test de transfert de chaleur avec circulation d’air .

Il est essentiel d’étudier l’applicabilité de l’effet isolant de Re sur les propriétés de transfert thermique de celles induites par la rotation. Comme l’effet de Re sur les performances de transfert de chaleur dépend de la configuration de canal, il n’est pas approprié d’adopter habituellement les corrélations de transfert de chaleur générées à partir d’autres géométries de canal que les références de transfert de chaleur statique-canal. La présente méthode expérimentale isole Re l’impact des effets de Ro et Bu en présentant les données de transfert de chaleur en termes de Nu/Nu0, où le Nu0données sont mesurées pour le canal d’essai statique. Alors que l’effet de flottabilité dans un canal de rotation avec accélération centripète environ 105 x g est considérable, l’effet de flottabilité axée sur la gravitation sur la propriété de transfert de chaleur d’une chaîne statique est généralement négligeable au sein de la gamme typique de ratios de densité du fluide étudiés pour un canal d’essai statique.

Lors d’un test de transfert de chaleur après l’alimentation alimentation chauffage pour générer les gradients de température nécessaires pour faciliter la convection de la chaleur, un certain degré de prise d’effet de flottabilité pilotée par le domaine de l’accélération centripète induit dans le canal rotatif est inévitable . Tel couplé Ro et effets de Bu pour un canal rotatif à des conditions réalistes de moteur ne sont pas négligeables en raison des très fortes accélérations centripètes. Ainsi, tant la force de Coriolis et rotation niveau de flottabilité sont modifiés en même temps lorsque la vitesse de rotation est ajustée. Le contrôle simultané de Ro et Re aux valeurs ciblage pendant l’expérience de rotation est essentiel pour le découplage de la Ro et Bu des effets sur les propriétés de transfert thermique. Ayant fixé la Ro et à, les variations de transfert de chaleur correspondant à la variation du flux de chaleur, ou niveau de flottabilité, reflètent l’effet de flottabilité tournant sur des propriétés de transfert thermique à l' essai Ro. Le Nu/Nu0 données converties dans le jeu de données généré de cette manière a permis la mise en œuvre de mesures 7,4 à 7,8 pour déterminer l’effet de la force de Coriolis et rotation effet flottabilité dans l’isolement.

L’impact de Bu sur la propriété de transfert de chaleur d’un canal rotatif est souvent Ro dépendants comme illustré par la Figure 6 , dans lequel les valeurs ψ2 sont variés comme les changements de Ro . Il n’est pas approprié de choisir la structure mathématique de la corrélation de transfert de chaleur qui traite de la Ro et Bu comme les paramètres indépendants de la corrélation.

Compte tenu de la Nu/Nu0 extrapolation vers l’état limite de Bu→0, le linéaire comme Nu/Nu0 variantes contre le paramètre sélectionné de flottabilité est préférable afin de réduire la incertitude causée par l’extrapolation de données. À cet égard, le rapport de la densité du fluide, le Δρ/ρ ou la flottabilité nombre, Bu, est recommandée comme le paramètre de flottabilité pour avoir divulgué le zéro-flottabilité Nu/Nu0 niveau au cours de ces données en extrapolant processus.

À haute pression, rotation des tests, les déformations de chauffage des feuilles et des éléments constitutifs d’un canal rotatif à cause des dilatations thermiques à divers modes de distribution de la température souvent causent des fuites d’air pendant l’essai de rotation. Cette fuite de petit débit d’air est difficile à identifier au cours de l’essai de rotation. Ainsi, informatique ultérieur immédiat est recommandé pour acquérir les données de transfert de chaleur du canal rotatif. En contre-interrogeant les résultats de transfert de chaleur obtenues par les essais de rotation précédentes, l’implication de toute tendance des données incohérentes est la fuite d’air possible. Les mesures suivantes pour détecter et empêcher alors les fuites d’air sont nécessaires.

Nous avons démontré une méthode pour générer les données de transfert de chaleur d’un canal rotatif aux conditions moteur réaliste avec l’effet de la force de Coriolis et rotation effet flottabilité désaccouplée. La limitation majeure de la présente méthode expérimentale permettant d’étendre les gammes de test de Ro et Bu est la durabilité de la caméra infrarouge qui tourne avec le canal de test. En général, 10 x g est l’accélération centrifuge durable maximale pour une caméra infrarouge. En ce qui concerne la méthode existante de détecter les taux de transfert de chaleur d’un canal de rotation, l’utilisation de feuille mince de chauffage peut minimiser les effets de la conduction du canal-mur sur la distribution du flux de chaleur par convection local et la détection des températures à mur-fluid interfaces. En outre, la distribution de transfert de chaleur bidimensionnelle de plein champ au-dessus d’une surface de rotation sous réserve de l’effet de flottabilité de l’état d’équilibre sont détectables à l’aide de la technique expérimentale actuelle. L’analyse de données méthode mise au point, les influences de la force de Coriolis et rotation de flottabilité sur la propriété de transfert de chaleur de plein champ d’un canal de rotation peut se déboîter. Cette méthode a déjà été appliquée à un large éventail des configurations de canaux en rotation. Nous espérons que la présente stratégie expérimentale peut entraîner le transfert de chaleur de la conception de l’environnement des corrélations et qui continuera à étendre la couverture complète des conditions réalistes moteur lorsque l’avancement de la technologie de caméra infrarouge permet sa utilisations dans les conditions avec des accélérations centrifuges supérieures.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Le présent travail de recherche a été financièrement parrainé par le ministère de la Science et la technologie de Taiwan au titre de la subvention NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 et NSC 97-2221-E-022-013-MY3.

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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