Disgiungere forza di Coriolis e rotante galleggiabilità effetti sul calore pieno campo il trasferimento di proprietà di un canale rotante

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Summary

Qui, presentiamo un metodo sperimentale per disaccoppiare la forza di Coriolis interdipendente e gli effetti di galleggiabilità rotante su distribuzioni di trasferimento di calore pieno-campo di un canale rotante.

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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

Viene proposto un metodo sperimentale per esplorare le caratteristiche di trasferimento di calore di un canale lungo un asse rotante. I parametri di flusso governante che caratterizzano i fenomeni di trasporto in un canale rotante vengono identificati tramite l'analisi parametrica delle equazioni slancio ed energia che fa riferimento a un quadro di riferimento rotante. Sulla base di queste equazioni di flusso adimensionale, una strategia sperimentale che unisce il design del modulo test, il programma sperimentale e l'analisi dei dati è formulato con il tentativo di rivelare la forza di Coriolis isolato e gli effetti di galleggiabilità il calore prestazioni di trasferimento. Gli effetti della forza di Coriolis e rotazione galleggiabilità sono illustrati utilizzando i risultati selettivi misurati da canali con varie geometrie di rotazione. Mentre la forza di Coriolis e rotanti-galleggiabilità impatti condividono parecchie caratteristiche comuni tra i vari canali rotanti, le firme di trasferimento di calore unico sono trovate in collaborazione con la direzione del flusso, la forma del canale e la disposizione di calore trasferimento valorizzazione dispositivi. Indipendentemente dalle configurazioni di flusso dei canali rotante, il metodo sperimentale proposto consente lo sviluppo di correlazioni di trasferimento di calore fisicamente consistente che consentono la valutazione della forza di Coriolis isolata e interdipendente e effetti di galleggiabilità rotante sul calore trasferimento proprietà di rotazione canali.

Introduction

Mentre le leggi termodinamiche dettano la maggiore potenza specifica ed efficienza termica di un motore a turbina a gas elevando la temperatura di ingresso turbina, diversi componenti di motore caldo, come pale di turbine, sono soggetti a danni termici. Raffreddamento interno di una pala del rotore di turbina a gas permette una temperatura di ingresso turbina oltre i limiti di temperatura della resistenza allo scorrimento del materiale lama. Tuttavia, le configurazioni dei canali di raffreddamento interne devono rispettare il profilo delle pale. In particolare, il liquido refrigerante ruota all'interno la pala del rotore. Con tali condizioni termiche duri per una pala del rotore di turbina a gas in esecuzione, uno schema di raffreddamento lama efficace è fondamentale per garantire l'integrità della struttura. Così, le proprietà di trasferimento di calore locale per un canale rotante sono importanti per l'utilizzo efficiente del flusso del liquido di raffreddamento limitato disponibile. L'acquisizione di dati di trasferimento di calore utile che sono applicabili alla progettazione dei passaggi del refrigerante interno alle condizioni del motore realistico è di primaria importanza quando un metodo sperimentale è stato sviluppato per misurare le proprietà di trasferimento di calore di un simulato il passaggio all'interno una pala del rotore di turbina a gas di raffreddamento.

Rotazione ad una velocità superiore ai 10.000 giri/min altera considerevolmente le prestazioni di raffreddamento di un canale rotante all'interno una pala del rotore di turbina a gas. L'identificazione delle condizioni del motore per tale canale rotante è consentito utilizzando la legge di similitudine. Con rotazione, i gruppi adimensionali che controllano i fenomeni di trasporto all'interno di un canale radialmente rotante possono essere rivelati derivando le equazioni di flusso rispetto a un quadro di riferimento rotante. Morris1 ha derivato l'equazione di conservazione quantità di moto di flusso rispetto a un quadro di riferimento rotante come:

Equation 1(1)

Nell'equazione (1), la velocità del fluido locale, , con il vettore posizione, , rispetto a un quadro di riferimento rotanti a velocità angolare, ω, risente l'accelerazione di Coriolis in termini di 2 (ω×), il forza di galleggiabilità centripeta disaccoppiati, β(T-Tref) (ω×ω×), il gradiente di pressione piezo-metrica, Equation 16 e la viscosità dinamica del fluido, ν. La densità del fluido riferimento, ρref, è riferita ad una temperatura di riferimento pre-definito fluido Tref, che è tipico della temperatura locale massa fluida per esperimenti. Se la conversione irreversibile dell'energia meccanica in energia termica è trascurabile, l'equazione di conservazione di energia è ridotto a:

Equation 2(2)

Il primo termine dell'equazione (2) è ottenuto trattando l'entalpia specifica per essere direttamente collegato con la temperatura del fluido locale, T, tramite il calore specifico costante, Cp. Come la perturbazione di densità del fluido causata dalla variazione di temperatura del fluido in un canale rotante riscaldato offre una notevole influenza sul moto dei fluidi quando si collega con l'accelerazione centripeta nell'equazione (1), la velocità del fluido e campi di temperatura in un canale lungo un asse rotante sono accoppiati. Inoltre, Coriolis e accelerazioni centripete variano simultaneamente come la velocità di rotazione viene regolata. Quindi, gli effetti della forza di Coriolis e rotazione galleggiabilità sui campi di velocità del fluido e la temperatura sono naturalmente la coppia.

Equazioni (1) e (2) nelle forme adimensionale divulgare i parametri di flusso che governano la convezione di calore in un canale rotante. Con un flusso di calore fondamentalmente uniforme imposto su un canale rotante, la temperatura locale massa fluida, Tb, aumenta linearmente in direzione longitudinale, s, dal livello di ingresso di riferimento, TRif. La temperatura locale massa fluida è determinata come Tref + τs, dove τ è il gradiente della temperatura fluido alla rinfusa in direzione del flusso. Sostituzioni dei seguenti parametri adimensionali di:

Equation 3(3)

Equation 4(4)

Equation 5(5)

Equation 6(6)

Equation 7(7)

nell'equazioni (1) e (2), dove Vsignifica, N e d indicano rispettivamente il flusso medio attraverso velocità, velocità di rotazione e diametro idraulico del canale, le equazioni di slancio e l'energia del flusso adimensionale sono derivate come equazioni (8) e (9) rispettivamente.

Equation 8(8)

Equation 9(9)

Evidentemente, η nell'equazione (9) è una funzione del Re, Roe Bu = Ro2βτdR, che sono rispettivamente indicati come numeri di Reynolds, la rotazione e la galleggiabilità. Il numero di Rossby che quantifica il rapporto tra inerziali e forze di Coriolis è equivalente al numero rotazione inversa nell'equazione (8).

Quando Tb è calcolato come Tref + τs in un canale rotante soggette a un flusso di calore uniforme, il valore τ può essere valutato in alternativa come Qf/ (mCpL) in cui Q f, m e L sono la potenza di riscaldamento convettivo, refrigerante portata di massa e canale lunghezza, rispettivamente. Così, la temperatura della massa fluida locale adimensionale, ηb, è pari a s/d e la temperatura adimensionale alla parete del canale, ηw, produce [(Tw- bT ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Con la velocità di trasferimento di calore convettivo definita come Qf/ (Tw-Tb), la differenza di temperatura di parete-a-fluido adimensionale, ηw-ηb, è seguito è convertibile nel numero di Nusselt locale tramite l'equazione (10) in cui ζ la funzione forma adimensionale di riscaldamento area e area sezionale del canale.

Equation 10(10)

Con una serie di geometrie predefinite e le condizioni di limite idrodinamiche e termiche, i gruppi adimensionali, controllo del numero di Nusselt locale di un canale rotante sono identificati come:

Equation 11(11)

Equation 12(12)

Equation 13(13)

Con prove sperimentali, la regolazione di velocità, N, a rotazione per vari Ro generare il trasferimento di calore dati a diverse concentrazioni di forze di Coriolis inevitabilmente cambiano l'accelerazione centripeta e così, la forza relativa delle rotazione dell'assetto. Inoltre, un insieme di calore trasferimento dati raccolti da un canale rotante è sempre soggetta ad un grado limitato di rotanti effetto di galleggiabilità. A rivelare gli effetti individuali di forza di Coriolis ed assetto sul trasferimento di calore delle prestazioni di un canale rotante richiedono dello sganciamento degli effetti Ro e Bu Nu proprietà attraverso la routine di post elaborazione dei dati che è compreso nel presente metodo sperimentale.

Le condizioni di flusso motore e laboratorio per un canale rotante all'interno una pala del rotore di turbina a gas possono essere specificate da gamme di Re, Ro e Bu. Le condizioni del motore tipico per il liquido refrigerante fluire attraverso una pala del rotore di turbina a gas, come pure la costruzione e messa in servizio dell'impianto prova rotante che ha permesso di esperimenti da eseguire nei pressi delle condizioni effettive del motore è stata segnalata da Morris2 . In base alle condizioni motore realistico riassunte da Morris2, Figura 1 costruisce le condizioni operative realistiche in termini di intervalli di Re, Ro e Bu per un canale refrigerante rotante in una pala del rotore di turbina a gas. Nella Figura 1, l'indicazione della condizione peggiore di un motore si riferisce a come il condizione al motore la massima velocità di rotore e il più alto rapporto di densità. In Figura 1, il limite inferiore e il peggior motore condizioni operative rispettivamente emergono alla velocità di motore più basso e più alto. È estremamente difficile misurare la distribuzione di Nu di pieno campo di un canale rotante in esecuzione ad una velocità di motore reale tra 5000 e 20.000 giri/min. Tuttavia, in base alla legge di similitudine, su scala di laboratorio test è stati condotti a velocità di rotazione ridotta ma con diversi tentativi di fornire una completa copertura delle gamme motore real Re, Ro e Bu . Come un metodo innovativo e sperimentale, la NASA HOST programma3,4,5,6 adottato i test ad alta pressione per aumentare la densità fluido presso il Re predefiniti in al fine di estendere la gamma di Ro riducendo la velocità media del fluido. A questo proposito, le relazioni specifiche tra Re, Ro e Bu per un gas ideale con una costante dei gas, Rce viscosità, μ, sono correlate come:

Equation 14(14)

Equation 15(15)

Per portare le condizioni di laboratorio in corrispondenza nominale con le condizioni del motore vista in Figura 1, la velocità, N, liquido di raffreddamento pressione, P, canale idraulico diametro ddi rotazione, rotazione raggio, R, e differenza di temperatura di parete-a-fluido, Tw-Tb, devono essere controllati per la corrispondenza delle gamme di Re, Ro e Bu realistiche. Chiaramente, uno degli approcci più efficaci per estendere la gamma di Ro è di aumentare il diametro idraulico del canale, come Ro è proporzionale a d2. Come la prova di trasferimento del calore di laboratorio presso realistico N è estremamente difficile, la pressione del refrigerante, P, è tecnicamente più facile da generare per l'estensione della gamma di Ro ; anche se è solo proporzionale P Ro . Basato su questo background teorico, la filosofia progettuale del presente metodo sperimentale consiste nell'aumentare Ro pressurizzando il rotante canale di prova utilizzando il diametro idraulico di canale massimi ammessi per adattarsi l'impianto di perforazione rotante. Avendo aumentato la gamma di Ro , la gamma di Bu è conseguenza esteso come Bu è proporzionale a Ro2. In Figura 1, le condizioni di prova di laboratorio ha adottate per generare i dati di trasferimento di calore di rotazione canali sono anche inclusa3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. come indicato nella Figura 1, la copertura delle condizioni motore realistico dai dati di trasferimento di calore disponibile è ancora limitata, soprattutto per la necessaria gamma di Bu . All'aperto e i simboli colorati solidi raffigurati nella Figura 1 sono gli esperimenti di trasferimento di calore appuntito e pieno campo, rispettivamente. Come raccolti nella Figura 1, la maggior parte del calore trasferimento dati con applicazioni di raffreddamento a gas turbina rotore lame1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 sono punto misurazioni utilizzando il metodo di termocoppia. Gli effetti di conduzione di parete su misura della parete conduttiva flusso di calore e le temperature alle interfacce di fluido-parete minano la qualità dei dati di trasferimento di calore convertiti dalle misure di termocoppia. Inoltre, il calore trasferimento misure1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 utilizzando il metodo di termocoppia non riesce a rilevare le variazioni di trasferimento di calore bidimensionale sopra una superficie rotante. Con il presente metodo sperimentale29,30,31,32, la rilevazione delle distribuzioni numeri di Nusselt pieno campo oltre il muro di canale rotante è ammissibile. La minimizzazione dell'effetto della conduzione di parete con fogli di acciaio inox spessore 0,1 mm con numeri di Biot >> 1 per generare la potenza di riscaldamento mediante il presente metodo sperimentale permette la conduzione di calore unidimensionale da foglio riscaldante per il flusso di refrigerante. In particolare, l'acquisizione di dati di trasferimento di calore pieno campo che abbiano effetti Bu e Ro non è ammissibile utilizzando la tecnica di cristalli liquidi transitoria e il metodo di termocoppia. Con l'attuale metodo termografia19cristalli liquidi allo steady-state, la gamma di temperatura rilevabile di 35-55 ° C Disabilita la generazione di dati di trasferimento di calore con rapporti di densità realistica.

Utilizzando i parametri di flusso che regolano la convezione di calore in un canale rotante per dimostrare che la copertura completa delle condizioni di motore realistico visto nella Figura 1 non è ancora stato raggiunto, così la necessità di acquisire il calore di pieno campo di trasferire dati a le condizioni del motore realistico è stato continuamente invitato. Il presente metodo sperimentale consente la generazione di trasferimento di calore di pieno campo con forza di Coriolis e rotanti-galleggiabilità effetti rilevati. I protocolli sono finalizzati ad aiutare i ricercatori a elaborare una strategia sperimentale rilevante per la misurazione di trasferimento calore pieno-campo realistico di un canale rotante. Insieme al metodo di analisi parametrica che è unico per il presente metodo sperimentale, la generazione di correlazione di trasferimento di calore per valutare gli effetti di Ro e Bu isolati e interdipendenti su Nu è consentita.

L'articolo illustra un metodo sperimentale volto a generare i dati di trasferimento di calore bidimensionale di un canale rotante con condizioni simili alle condizioni motore realistico della turbina a gas di flusso ma operanti a velocità molto inferiore rotante nella laboratori. Il metodo sviluppato per selezionare la velocità di rotazione, il diametro idraulico del canale del test e la gamma di differenze di temperatura di parete-a-fluido per l'acquisizione dati in condizioni di motore realistico sono illustrati nell'introduzione il trasferimento di calore. Test di calibrazione per il sistema di termografia ad infrarossi, la calibrazione di perdita di calore test e l'operazione del banco di prova di trasferimento calore rotante sono mostrati. I fattori che causano le incertezze significative per calore trasferire misure e le procedure per il disaccoppiamento della forza di Coriolis ed effetti di galleggiabilità delle proprietà di trasferimento di calore di un canale rotante sono descritti in questo articolo con il selettivo Risultati per dimostrare il presente metodo sperimentale.

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Protocol

Nota: I dettagli della rotazione strutture di collaudo, acquisizione dati, elaborazione dati e il modulo di test di trasferimento di calore emulando un canale di raffreddamento interno di una pala del rotore di turbina a gas sono in nostri precedenti lavori29,30,31 ,32.

1. preparazione del test di trasferimento di calore

  1. Formulare le condizioni sperimentali in termini di Re, Ro e Bu da condizioni operative mirate di una pala del rotore di turbina a gas.
  2. Determinare la N, P, d, Re Tw - Tb necessari per acquisire la testata Re, Ro e Bu utilizzando equazioni (14) e (15).
  3. Ri-definire il targeting Re, Ro e Bu se N, P, d, Re Tw - Tb supera il limite delle strutture sperimentali.
  4. Progettare e costruire il modulo di test di trasferimento di calore in scala emulando un canale di raffreddamento interni e pratico in un rotore di turbina a gas lama2.

2. determinazione del coefficiente di emissività termica per sistema di termografia ad infrarossi

  1. Installare la termocoppia calibrata sul lato posteriore del foglio riscaldante in acciaio inox digitalizzati.
  2. Spruzzare uno strato sottile di vernice nera sulla lamina di acciaio inox riscaldamento analizzata dalla telecamera a raggi infrarossi.
  3. Creare campi di flusso simmetrico sui due lati del foglio riscaldante in acciaio inox posizionando un sottile foglio di acciaio verticale in uno spazio con i flussi convettivi gratis sui due lati del foglio riscaldante verticale.
  4. Potenza di riscaldamento elettrico attraverso il foglio riscaldante avanzamento e misurare temperature contemporaneamente di termocoppia e a infrarossi sistema di termografia dallo schermo del computer allo stato stazionario.
  5. Ripetere il passaggio 2.4 almeno quattro volte utilizzando elevati poteri di riscaldatore. Garantire che le temperature di parete corrispondente ai poteri riscaldatore usati dai punti 2.3 e 2.4 coprono la gamma di Tw determinata dal passaggio 1.2.
  6. Calcolare i valori di Twanalizzati dal sistema termografia ad infrarossi utilizzando un numero di coefficienti di emissività termica selettivo per il programma che converte i segnali a infrarossi in dati di temperatura.
  7. Confrontare i dati di Tw misurati la termocoppia calibrata e il sistema di termografia ad infrarossi nella posizione corrispondente per la termocoppia spot con le deviazioni standard valutate.
  8. Selezionare il coefficiente di emissività termica con il minimo scarto quadratico medio determinato dal passaggio 2.7.
  9. Determinare l'errore di massima precisione per il sistema di termografia ad infrarossi utilizzando il coefficiente di emissività termica determinato dal passo 2.8.

3. dinamico equilibrio di rotazione Rig

  1. Installare il modulo di test del trasferimento di calore, la telecamera a infrarossi, il telaio avvolgente e tutti gli accessori sulla piattaforma rotante.
  2. Regolare il peso controbilanciante gradualmente fino a quando le condizioni di esercizio dell'impianto di perforazione rotante soddisfano la limitazione vibrazionale per le misurazioni di termografiche ad infrarossi per esporre l'immagine termica stabile sul display del computer.

4. valutazione dei coefficienti di perdita di calore

  1. Riempire il canale del liquido di raffreddamento del modulo di test di trasferimento di calore con materiale termoisolante.
  2. Installare il modulo riempito prova su rotante rig di test montaggio del modulo di verifica sulla piattaforma rotante e collegando l'alimentazione riscaldatore e tutti i cavi strumentali.
  3. Attivare il sistema di acquisizione dati per eseguire la scansione temporale Tw variazione a una potenza di riscaldamento fino a quando non viene soddisfatta la condizione di stato stazionario. Garantire che il temporale Tw variazioni durante varie scansioni successive sono meno di +0,3 K in ogni condizione di stato stazionario.
  4. Registrare la potenza della resistenza, allo steady-state dati Tw e la corrispondente temperatura ambiente, T.
  5. Ripetere i punti 4.3 e 4.4 almeno cinque volte usando diverse potenze termiche ad una velocità di rotazione fissa.
  6. Ripetere i passaggi da 4.2-4.4 con almeno cinque velocità di rotazione. Assicurarsi che il campo di prova di velocità di rotazione copre tutti i valori di N determinati dal passaggio 1.2.
  7. Ripetere i passaggi da 4.3-4.6 con un senso di rotazione invertito.
  8. Costruire le trame del flusso di perdita di calore contro la differenza di temperatura di parete-a-ambient ogni velocità di rotazione.
  9. Correlare i coefficienti di perdita di calore come le funzioni parete--ambiente di differenza di temperatura, di rotazione e velocità di rotazione.
  10. Il programma di processo post dati per la contabilità di Nu , incorporare la correlazione di perdita di calore.

5. test di trasferimento di calore base

  1. Eseguire test di trasferimento di calore presso il targeting per numeri di Reynolds a velocità zero rotante (Ro = N = 0) alimentando flussi di liquido di raffreddamento e riscaldatore poteri per il modulo di test. Garantire che la portata di massa del refrigerante fornita è costantemente adeguata al fine di controllare il numero di Reynolds sul piano di entrata flusso al valore di destinazione.
  2. Registrare tutti i dati grezzi pertinenti, tra cui le temperature di parete allo stato stazionario, temperature del fluido, poteri di riscaldatore, pressioni di flusso e ambiente pressioni e temperature, per l'elaborazione successiva dei dati.
  3. Valutare i numeri di Nusselt locali e una media di zona (Nu0) sopra le pareti del canale statico digitalizzati.

6. test di trasferimento di calore rotante

  1. Installare il programma di monitoraggio on-line per monitorare le condizioni di prova presso il Re di targeting e Ro.
  2. Alimentare la portata di massa del refrigerante misurata, la pressione dell'aria, velocità e temperatura del fluido all'ingresso del canale di rotazione nel programma di monitoraggio per calcolare l'istante Re e Ro.
  3. Registrare tutti i dati grezzi rilevanti, come la rotazione velocità, potere del riscaldatore, flusso d'aria e pressioni ambientali, come pure le temperature di parete e fluido per l'elaborazione successiva dei dati dopo che è soddisfatta la condizione di stato stazionario pre-definita.
  4. Ripetere i passaggi da 6.2 e 6.3 con almeno quattro crescente o decrescente poteri riscaldatore a un insieme di fisso Re e Ro. Garantire che la caduta del Re e Ro test entro ± 1% differenze dai valori di targeting regolando la velocità di rotazione o la portata di massa del refrigerante o entrambi.
  5. Garantire che i test di trasferimento di calore in ogni set di fisso Re e Ro con poteri diversi riscaldatore vengono eseguiti continuamente come lo sviluppo di flussi di galleggiamento indotta è associato con la "storia" dello sviluppo di flusso.
  6. Ripetere i passaggi da 6.4 e 6.5 con quattro o cinque targeting numeri di Reynolds (Re) a un numero fisso di rotazione (Ro). Garantire che la velocità di rotazione viene registrata in modo appropriato a ogni test Re per comandare sia Re e Ro ai valori di targeting entro ± 1% differenze.
  7. Ripetere il punto 6.6 utilizzando quattro o cinque numeri di rotazione (Ro) di targeting.
  8. Ripetere i passaggi da 6.2 a 6.7 con senso di rotazione invertito.
  9. Valutare i numeri di Nusselt locali e una media di zona (Nu) oltre le mura di canale rotante digitalizzati utilizzando un programma di elaborazione dei dati di post.

7. analisi parametrica

  1. Correlare i media di zona Nusselt numeri (Nu0) raccolti dal canale statico nelle funzioni del numero di Reynolds.
  2. Valutare il locale pieno campo Nu/ rapporti diNu0 ad ogni fisso Re e Ro testato con una media di zona Nu/Nu0 rapporti calcolati.
  3. Verificare l'applicabilità di isolamento effetto Re tracciando il locale e una media di zona Nu/Nu0 rapporti ottenuti con diversi Re ma alle identiche Ro.
  4. Divulgare gli impatti isolati di galleggiabilità sulle proprietà di trasferimento di calore del canale prova rotante a rotazione riportando la media di zona Nu/Nu0 rapporti raccolti presso la stessa Ro con diversi Re contro Bu o densità rapporto (Δρ/ρ). Garantire la scelta preferibile di Bu o Δρ/ρ per costruire questo tipo di trama per ottenere la tendenza di dati coerenti con una struttura semplice e funzionale per calore trasferimento correlazione.
  5. Estrapolare ogni Nu/Nu0 tendenza di dati raccolti presso un fisso Ro ma diversi Re nella condizione limitante di Bu→0 o Δρ/ρ→0.
  6. Raccogliere tutti gli estrapolata Nu/Nu0 risultati con Bu→0 o Δρ/ρ→0 presso tutti i testata Ro.
  7. Tracciare l' estrapolata Nu/Nu0 risultati con interazione di galleggiabilità scomparso contro Ro di divulgare il Coriolis disgiunto forza effetti sulle proprietà di trasferimento di calore.
  8. Correlare i risultati dei test raccolti da passaggi 7.4 e 7,7 nelle funzioni di Ro e Bu.

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Representative Results

Condizioni di funzionamento realistiche per i flussi di refrigerante interno all'interno di una lama rotante della turbina a gas in termini di Re, Ro e Bu sono confrontate con le condizioni di laboratorio emulato nella Figura 1. I punti dati rientrano nelle condizioni motore realistico utilizzando il metodo sperimentale presente riassunto nei protocolli11,14,17,20,21. Anche se i dati di trasferimento di calore pieno-campo sono più utili di aguzzo calore trasferimento dati misurati dai canali rotanti, la maggior parte degli esperimenti di trasferimento di calore precedente adotta il metodo di termocoppia (Figura 1). Il presente metodo di termografia ad infrarossi rileva le informazioni di trasferimento di calore pieno campo da una superficie rotante con i flussi di galleggiabilità-indotta completamente sviluppati. Con i liberi o forzati convettivi flussi esterni per un statici e rotanti prova canale, i protocolli presenti includono la generazione di correlazioni di perdita di calore per post-elaborazione dei dati (Figura 2). Nella parte superiore della Figura 2, è testimoniata anche la costruzione del modulo di prova del trasferimento di calore. I coefficienti correlativi per tutte le linee di misura mostrate dalla Figura 2 cadono tra 0.95-0.98. In considerazione la correlazione hperditavista nella trama di hperditacontro N nella Figura 2, le barre di errore indicano l'intervallo di dati determinati a ogni velocità di rotazione.

Figura 3, Figura 4e Figura 5 raffigurano i risultati di trasferimento di calore selettivo misurati dal statico due passaggi S-canale con nervature longitudinali ondulate, la rotazione due passaggi S-canale31 e il rotante solcata32 e pin-fin canale33. Le incertezze di massime stimate delle misurazioni Nu per il canale di S-a costine statico, il rotante S-canale31, solcato canale32 e pin-fin canale33 sono 7,9%, 8.8%, 9.2% e 9,7%, rispettivamente. Per divulgare il Re impatto sulle proprietà di trasferimento di calore di un canale di raffreddamento, i dati di trasferimento di calore pieno-campo base-linea rilevati dal canale statico mediante il metodo termografia ad infrarossi presenti come caratterizzata dalla Figura 3 sono essenziali. Il diagramma riportato nella parte superiore della Figura 3 raffigura anche la configurazione dei canali del due-pass S-canale con le nervature longitudinali ondulate. La sezione del canale è quadrata con il semi-circolare sezionate nervature longitudinali ondulate su due pareti opposte riscaldate delle gambe di entrata e di uscita.

L'applicabilità dell'isolato Re impatto da Ro e Bu effetti sul trasferimento di calore locale e regionalmente media è consentito presentando i dati di trasferimento di calore in termini di Nu/Nu0 (Figura 4). Entrambi i modelli ed i livelli di Nu/Nu0 presso la stessa Ro con simili Bu sembrano essere debole funzioni del Re (Figura 4). I risultati tipici dal protocollo per rivelare gli effetti della forza di Coriolis isolato su proprietà di trasferimento di calore vengono illustrati nella Figura 5. In Figura 5, le variazioni di Nu/Nu0 ad ogni fisso Ro contro Bu per due diversi canali rotante con pareti ondulate32 e diamante a forma di perno-pinne33 tendono a seguire le tendenze dei dati lineare-come. Così, l'estrapolazione lineare quando Bu→0 è selezionato per l' identificato Nu/Nu0 livelli presso Bu = 0 e Ro> 0. Ma, a causa della configurazioni di canale diverso, il Nu/Nu0 rapporti misurati dal rotante solcata32 e pin-fin33 canali come descritto nella Figura 5 sono diminuiti rispettivamente e aumentato sollevando Bu. A questo proposito, la raffigurazione di Nu/Nu0 varianti contro rapporto di densità (Δρ/ρ)3,4,5,6, 34 ha spesso portato a non-lineare Nu/Nu0 variazioni. Così, l'estrapolazione di ogni Nu/Nu0 dati trend presso un fisso Ro verso il limite asintotico di Δρ/ρ→0 con effetto di galleggiabilità diminuita lungo un trend non lineare dati risente spesso il tipo di correlativa funzione selezionata. Tuttavia, la procedura estrapoliamo i dati per i risultati del trasferimento di calore rilevato dalle pareti iniziali e finali del rotante canali32 dimostra l'applicabilità per svelare gli effetti della forza di Coriolis isolato sul trasferimento di calore Proprietà con interazione di galleggiabilità scomparso alla Bu= 0 (Figura 5).

Il cosiddetto zero-galleggiabilità Nu/Nu0 rapporti sono controllati solo da Ro per riflettere gli effetti della forza di Coriolis isolato. Alla maniera di variazioni di trasferimento di calore dai riferimenti statici-canale divulgati da passaggi 7.7 e 7.8 è caratterizzata dalla Figura 6. L'impatto di Ro separato dall'effetto di galleggiamento sulle prestazioni di trasferimento del calore di un canale rotante è correlato come la funzione di Ro di far parte di Nu/Nu0 correlazione (Figura 6). Il positivo o negativo ψ2valori nella Figura 6 indicano il miglioramento o ostacolare gli effetti sulle prestazioni di trasferimento di calore a causa di interazioni di galleggiabilità. L'ordine di grandezza maggiore di ψ2 , i più alti gradi di rotazione dell'assetto impatto sono inflitte le proprietà di trasferimento di calore. Le linee di misura indicate nella Figura 6 sono le trame delle funzioni correlative. Le strutture funzionali delle correlazioni per zero-galleggiabilità Nu/Nu0 rapporti e ψ2 valori sono generalmente determinati in conformità con le buone maniere diverse di dati le tendenze emerse in Figura 6 . Come discusso in precedenza, il canale di differente geometrie tra i pin-fin33 canali e solcata32 hanno portato rispettivamente al positivo e negativo ψ2 valori nella Figura 6. Ma la caratteristica comune del ridotti volume di ψ2 valori causati aumentando Ro è osservata per i due tipi di canali32,33 nella Figura 6a rotazione. Dopo aver correlato i valori ψ2 e il Nu/Nu0 rapporti alle condizioni di zero-galleggiabilità nelle funzioni di Ro , il calore trasferimento correlazioni, che consentano la valutazione dell'isolato e accoppiato Ro e Bu effetti su Nu/Nu0, viene generato per un particolare canale rotante.

Figure 1
Figura 1. Re, Ro e Bu gamme e le condizioni di laboratorio emulato per un canale refrigerante rotante in una pala del rotore di turbina a gas di funzionamento realistico. Le condizioni di test eseguite da NASA HOST programma3,4,5,6 sono indicate come il bar simbolo. I simboli aperti e solidi significano rispettivamente che il Bu Roe Re verificare gli intervalli per le misure di trasferimento di calore appuntito e pieno campo. I numeri tra parentesi sono i riferimenti da cui sono tratti i dati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2. Coefficienti di perdita di calore tipico (hperdita) alle varie velocità rotante30 utilizzando il trapezoidale passa-doppia nervatura-rugosa rotante canale come un esempio illustrativo. Il diagramma in alto raffigura i dettagli costruttivi del modulo di test di rotazione. La pendenza di ogni tendenza di dati costituito dal flusso di perdita di calore contro la differenza di temperatura parete--ambiente mostrato nella parte inferiore sinistra rivela il coefficiente di perdita di calore presso la velocità di rotazione specifica. Correlando i coefficienti di perdita di calore rilevato a tutti la velocità di rotazione testata, la correlazione di perdita di calore generato caratterizzata dalla trama più basso di destra è incorporata nel programma di elaborazione di dati per la contabilità di Nu . Le barre di errore nella trama inferiore destra indicano gli intervalli di hperdita30. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Nella figura 3. Distribuzione numero di Nusselt locale della statica passa-doppia S-canale irruvidito da nervature Ricci presso Re = 15.000 misurata con metodo termografia ad infrarossi presenti. Il diagramma superiore raffigura la spalla del canale ondulato due passaggi e la S-nervature longitudinali. Come indicato dalla AA' vista in sezione, la coppia di S-nervature longitudinali è organizzato in linea su due opposti canale valorizzata. Nella distribuzione dettagliata del numero di Nusselt sopra la spalla di due passaggi ondulato mostrato come la trama inferiore, i dati di Nu lungo i due S-nervature longitudinali vengono scartati a causa degli effetti di conduzione di parete sulle distribuzioni di flusso di calore e temperatura di parete. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4. Proprietà di rotazione canale di trasferimento esempi che illustrano l'isolamento del Re impatto da effetto Ro e Bu il calore locale e una media di regionalmente. La parte superiore esibisce le distribuzioni numero Nusselt dettagliate presso un fisso Ro di 0,15 con un diversi Re di 5000, 7500, e 12.500 per illuminare gli impatti del numero di Reynolds sul calore trasferimento proprietà della spalla rotante. La parte inferiore raffigurato le proprietà di trasferimento di calore una media di zona sopra la rotazione iniziali e finali valorizzata. Il normalizzato Nu/Nu0 rapporti per evidenziare le variazioni di trasferimento di calore dagli scenari non rotante rotazione. Adattato con permesso da Chang et al 201731. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5. Esempi che dimostrano l'effetto di Ro disgiunto da Bu impatto sul calore trasferimento proprietà di rotazione canale32,33. Ogni Bu-driven Nu/Nu0 variazione è ottenuta presso il fisso Ro e correlato come una funzione lineare della Bu come indicato dalla linea retta in ogni trama. I coefficienti di correlazione di queste linee componibile cadono tra 0,96 e 0,98. L'estrapolazione del Nu/Nu0 tendenza di dati verso Bu→0 lungo ogni linea componibile rivela il Nu/Nu0 rapporto presso la testata Ro. La grandezza e la pendenza di ogni Bu-driven Nu/Nu0 tendenza di dati divulgare le buone maniere di effetto di galleggiamento sulla performance di trasferimento di calore. Le magnitudini delle piste rappresentano i gradi di Bu impatto su Nu/Nu0. Le piste di positive e negative rispettivamente riflettono l'impatto di galleggiabilità migliorando e indebolimento su livelli di trasferimento di calore. I numeri tra parentesi sono i riferimenti da cui sono tratti i dati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Nella figura 6. Uncoupled Ro e Bu effetti sulle prestazioni di trasferimento calore regionalmente media della parte rotante ondulato canale32,33. La parte superiore raccoglie gli scenari di trasferimento di calore alle varie Ro ma con effetto di galleggiamento scomparso alla Bu = 0. Tali Nu/Nu0 variazioni sono esclusivamente causato dai diversi le forze di Coriolis presso diversi Ro. La parte inferiore mostra le variazioni di Bu impatto su Nu/Nu0 presso diversi Ro. Il negativo e positivo ψ2 valori indicano le rispettive alterando e miglioramento Bu impatto sul calore trasferimento spettacoli per i pin-fin33 canali e solcata32 . Le linee tratteggiate in questa figura sono i risultati di correlazione per Nu/Nu0 alla Bu = 0. I numeri tra parentesi sono i riferimenti da cui sono tratti i dati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Mentre le temperature di spalla di un canale rotante vengono rilevate da un sistema di termografia ad infrarossi, la temperature del fluido sono misurate mediante termocoppie. Come il campo magnetico alternativo di un motore a corrente alternata che spinge un impianto di perforazione rotante induce il potenziale elettrico di interferire le misure di termocoppia, il motore DC dovrà essere adottato per guidare un rotante rig di test.

La distribuzione di temperatura del fluido nel piano di uscita di un canale riscaldata non è uniforme. Almeno cinque termocoppie sull'aereo esistente di un canale rotante sono raccomandate per misurare le temperature di uscita fluido locale. In particolare, queste termocoppie misura la temperature del fluido installate al passaggio di flusso sono soggetti a forze centrifughe durante le prove di rotazione. I fili della termocoppia sono piegati facilmente verso le pareti del canale caldo. Quindi, viene utilizzato un cavo schermato termocoppia per misurare la temperatura di entrata fluido. Il piano di uscita di flusso, una mesh con varie perline di termocoppia intrecciata sulla mesh può essere inserita tra le flange di uscita di un canale di test per rilevare le temperature di uscita fluido presso le ubicazioni predefinite sotto una condizione di test rotante.

Con notevole rotazione indotto effetti di galleggiamento sulle caratteristiche di trasferimento di calore e flusso di un canale rotante, il metodo scelto per rilevare che i dati di trasferimento di calore pieno campo devono includere sia gli effetti di galleggiabilità che di forza di Coriolis. Utilizzando il metodo transitorio a cristalli liquidi per i dati di trasferimento di calore pieno-campo di misura, gli strati limite termici non sono ancora pienamente sviluppati come le variazioni di temperatura temporale canale-parete sono essenziali di questo metodo per l'acquisizione di calore convettivo coefficienti di trasferimento. Come l'accelerazione centripeta potrebbe raggiungere 105 x g in un canale di raffreddamento di una lama rotante della turbina a gas, i dati di trasferimento di calore conforme alle influenze dei flussi di galleggiamento completamente sviluppato, che sono rilevabili con il presente metodo sperimentale, sono più pratico per attività di progettazione.

L'esposizione della parete digitalizzata canale caldo per una termocamera ad infrarossi comporta inevitabilmente la perdita di calore dal calore Joule generato da lamine il riscaldamento. I protocolli per l'esecuzione delle prove di calibrazione perdita di calore sono fondamentali per garantire la qualità dei dati di trasferimento di calore. Ereditando dai flussi esterni convettivi liberi o forzati, per un canale di test statici o rotanti, i coefficienti di scambio termico convettivo possono essere correlati come la funzione della differenza di muro-di temperatura ambiente ad una velocità di rotazione fissa (Figura 2). è preferibile per avvolgere il modulo della prova del trasferimento di calore rotazione intero con uno scudo per il recupero del "libero-convettivo" come flussi esterni durante le prove di rotazione. Le incertezze sperimentali massime dei dati di trasferimento di calore sono generalmente ridotte quando è ridotta la percentuale del flusso di perdita di calore da cambiamento continuo di calore assicurato. Tuttavia, i coefficienti di perdita di calore sono aumentati leggermente man mano che N aumenta anche con lo scudo avvolto che copre il modulo di test di trasferimento di calore intero (Figura 3). La correlazione di perdita di calore è incluso nel programma di elaborazione dei dati post per valutare la distribuzione del flusso di perdita di calore locale per ogni set di risultati di test di trasferimento calore. Come l'inerzia termica del modulo di trasferimento di calore riempito da materiale di isolamento termico è notevolmente aumentato, il tempo necessario per raggiungere la condizione di stato stazionario durante ogni calore prova di perdita è notevolmente esteso da un test di trasferimento di calore con flusso d'aria .

È essenziale per studiare l'applicabilità dell'isolamento Re effetto sulle proprietà di trasferimento di calore da quelli indotti dalla rotazione. Poiché l'effetto di Re sulle performance di trasferimento del calore dipende le configurazioni di canale, non è opportuno adottare abitualmente le correlazioni di trasferimento di calore generate da altre geometrie di canale come i riferimenti di trasferimento di calore statico-canale. Il presente metodo sperimentale isola Re impatto dagli effetti Ro e Bu presentando i dati di trasferimento di calore in termini di Nu/Nu0, in cui il Nu0dati sono misurati per il canale di prova statica. Mentre l'effetto di galleggiamento in un canale di rotazione con accelerazione centripeta circa 105 x g è notevole, l'effetto di gravitazione-driven galleggiabilità nella proprietà di trasferimento di calore di un canale statico è generalmente trascurabile all'interno della gamma tipica di rapporti di densità del fluido esaminati per un canale di prova statica.

Durante un test di trasferimento di calore dopo l'alimentazione potenza del riscaldatore per generare i gradienti di temperatura richiesti per facilitare la convezione di calore, è inevitabile un certo grado di effetto di galleggiamento guidato dal campo indotto accelerazione centripeta nel canale rotante . Tale accoppiata Ro e Bu effetti per un canale rotante alle condizioni motore realistico non sono trascurabili a causa delle accelerazioni centripete estremamente elevate. Così, sia la forza di Coriolis e la rotazione livello di galleggiamento sono alterati contemporaneamente quando viene regolata la velocità di rotazione. Il controllo simultaneo di Ro e Re a valori di targeting durante l'esperimento di rotazione è essenziale per la separazione il Ro e Bu effetti sulle proprietà di trasferimento di calore. Dopo aver fissato il Ree Ro , le variazioni di trasferimento di calore corrispondente alla variazione del flusso di calore, o livello di galleggiamento, riflettono l'effetto della spinta di galleggiamento rotazione sulle proprietà di trasferimento di calore presso la testata Ro. Il Nu/Nu0 dati convertiti dal set di dati generate in questo modo consentono l'attuazione della procedura 7.4-7.8 per identificare l'effetto della forza di Coriolis e rotante effetto di galleggiabilità in isolamento.

L'impatto di Bu nella proprietà di trasferimento di calore di un canale rotante è spesso Ro dipendente come esemplificato dalla Figura 6 , in cui i valori ψ2 sono di vario tipo come Ro cambiamenti. Non è corretto selezionare la struttura matematica della correlazione di trasferimento di calore che tratta il Ro e Bu come parametri indipendenti nella correlazione.

In considerazione di Nu/Nu0 estrapolazione verso la condizione limitante di Bu→0, il lineare-come Nu/Nu0 variazioni rispetto al parametro selezionato galleggiabilità è preferibile al fine di ridurre il incertezza dovuta all'estrapolazione di dati. A questo proposito, il rapporto di densità del fluido, Δρ/ρ o la galleggiabilità numero, Bu, è raccomandato come il parametro di galleggiamento per rivelare il zero-galleggiabilità Nu/Nu0 livello durante tali dati estrapolando processo.

Con alta pressione rotante test, le deformazioni del riscaldamento sventa e i componenti costitutivi di un canale rotante dovuti alle dilatazioni termiche a vari modelli di distribuzione della temperatura spesso causano perdite di flusso d'aria durante il test di rotazione. Tale perdita di flusso d'aria piccole è difficile da individuare durante il test di rotazione. Quindi, elaborazione dati successiva immediata è raccomandato per acquisire i dati di trasferimento di calore del canale rotante. Da interrogante i risultati del trasferimento di calore ottenuti dai test precedenti rotante, l'implicazione di qualsiasi tendenza di dati incoerenti è la perdita di flusso d'aria possibile. Sono necessarie le successive misure per individuare e quindi prevenire la fuoriuscita del flusso d'aria.

Abbiamo dimostrato un metodo per generare i dati di trasferimento di calore di un canale rotante alle condizioni motore realistico con l'effetto della forza di Coriolis e rotante effetto di galleggiamento disinserita. La limitazione principale del presente metodo sperimentale per l'estensione delle gamme di prova di Ro e Bu è la sostenibilità della telecamera a infrarossi che ruota con il canale di prova. In generale, 10 x g è l'accelerazione centrifuga sostenibile massima per una termocamera ad infrarossi. Per quanto riguarda il metodo esistente di rilevare la velocità di trasferimento di calore di un canale rotante, l'uso di riscaldamento sottile lamina può minimizzare gli effetti della conduzione di canale-parete sulla distribuzione del flusso di calore convettivo locale e il rilevamento di temperature interfacce di parete-fluido. Inoltre, la distribuzione di trasferimento di calore pieno-campo bidimensionale sopra una superficie rotante conforme all'effetto di galleggiamento allo steady-state sono rilevabili utilizzando la tecnica sperimentale attuale. Con l'analisi di dati metodo sviluppato, le influenze della forza di Coriolis e rotazione galleggiabilità nella proprietà di trasferimento di calore pieno-campo di un canale rotante può essere disgiunto. Questo metodo è già stato applicato a una vasta gamma di configurazioni di canale a rotazione. Ci aspettiamo che la presente strategia sperimentale può portare al trasferimento di calore design correlazioni e che continuerà ad estendere per il riempimento completo delle condizioni del motore realistico quando l'avanzamento della tecnologia telecamera a raggi infrarossi permette la utilizzi le condizioni con accelerazioni centrifughe superiori.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Il presente lavoro di ricerca è stato finanziariamente sponsorizzato dal Ministero della scienza e della tecnologia di Taiwan sotto la concessione NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 e 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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