Fuerza de Coriolis desacoplar y rotación efectos de flotabilidad en el calor de campo completo transferencia de propiedades de un canal de rotación

Engineering

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Summary

Aquí, presentamos un método experimental para desacoplar la fuerza de Coriolis interdependiente y efectos de flotabilidad de rotación en las distribuciones de transferencia de calor de campo completo de un canal de rotación.

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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

Se propone un método experimental para explorar las características de transferencia de calor de un canal axial giratoria. Los parámetros de flujo que gobierna que caracterizan a los fenómenos de transporte en un canal rotando se identifican mediante el análisis paramétrico de las ecuaciones de momentum y energía refiriéndose a un marco de referencia rotativo. Partiendo de estas ecuaciones de flujo adimensional, una estrategia experimental que une el diseño del módulo de prueba, el programa experimental y el análisis de datos se formula con el intento de revelar la fuerza de Coriolis aislada y efectos de flotabilidad en calor actuaciones de transferencia. Los efectos de la fuerza de Coriolis y la rotación de flotabilidad se ilustran los resultados selectivo de canales con varias geometrías de rotación. Mientras que la fuerza de Coriolis y el impacto de la flotabilidad de rotación comparte varias características comunes entre los diferentes canales de rotación, las firmas de transferencia de calor único se encuentran en asociación con la dirección del flujo, la forma del canal y la disposición de calor la transferencia de dispositivos de realce. Independientemente de las configuraciones de flujo de los canales de rotación, el método experimental presentado permite el desarrollo de correlaciones de transferencia de calor físicamente consistentes que permitan la evaluación de la fuerza de Coriolis aislada e interdependiente y efectos de rotación de flotabilidad en el calor la transferencia de propiedades de rotación de canales.

Introduction

Mientras que las leyes de la termodinámicas dictan la mayor potencia específica y la eficiencia térmica de un motor de turbina de gas elevando la temperatura de entrada de la turbina, varios componentes del motor caliente, como las láminas de turbina, son propensos a daños térmicos. Enfriamiento interno de una lámina de rotor de turbina de gas permite una temperatura de entrada de turbina por encima de los límites de temperatura de la resistencia a la fluencia del material de la lámina. Sin embargo, las configuraciones de los canales de refrigeración internas deben cumplir con el perfil del filo. En particular, el refrigerante gira dentro de la lámina de rotor. Con esas duras condiciones térmicas para una lámina de rotor de turbina de gas corriente, un sistema de enfriamiento eficaz hoja es crucial para asegurar la integridad de la estructura. Así, las propiedades de transferencia de calor local para un canal de rotación son importantes para el uso eficiente del flujo de refrigerante limitada disponible. La adquisición de datos de transferencia de calor útil que se aplican al diseño de los conductos de refrigeración interna en condiciones realistas de motor es de primordial importancia cuando se ha desarrollado un método experimental para medir las propiedades de transferencia de calor de un paso de enfriamiento simulado dentro de una lámina de rotor de turbina de gas.

Rotación a una velocidad por encima de 10.000 rpm altera considerablemente el rendimiento de refrigeración de un canal rotando dentro de una lámina de rotor de turbina de gas. La identificación de las condiciones del motor para tal canal rotativo es permisible usando la ley de similitud. Con la rotación, los grupos adimensionales que controlan los fenómenos de transporte dentro de un canal radial giratorio pueden ser revelados por derivar las ecuaciones de flujo en relación con un marco de referencia rotativo. Morris1 ha derivado la ecuación de conservación de momentum del flujo en relación con un marco de referencia rotativo como:

Equation 1(1)

En la ecuación (1), la velocidad local del fluido, , con el vector de posición, , relativa a un marco de referencia rotando a la velocidad angular, ω, es afectada por la aceleración de Coriolis en términos de 2 (ω×), la fuerza de flotabilidad centrípeta desconectada, β(T-Tref) (ω×ω×), el gradiente de presión piezo-métrico conducido, Equation 16 y la viscosidad dinámica del fluido, ν. La densidad del fluido que se hace referencia, ρref, se refiere a una temperatura de referencia de fluido predefinido Tref, que es típico de la temperatura local a granel líquido para experimentos. Si la conversión irreversible de energía mecánica en energía térmica es despreciable, la ecuación de conservación de energía se reduce a:

Equation 2(2)

El primer término de la ecuación (2) se obtiene por el tratamiento de la entalpia específica que se relaciona directamente con el local temperatura del fluido, T, a través de la constante calor específico, Cp. Como la perturbación de la densidad del fluido causado por la variación de temperatura del fluido en un canal de rotación climatizado ofrece una considerable influencia en el movimiento de los fluidos cuando vincula con la aceleración centrípeta en la ecuación (1), la velocidad del fluido y campos de temperatura en un canal axial giratorio se juntan. También, Coriolis y centrípetas aceleraciones varían simultáneamente como se ajusta la velocidad de rotación. Así, los efectos de la fuerza de Coriolis y la rotación flotabilidad en los campos de velocidad del fluido y la temperatura se juntan naturalmente.

Las ecuaciones (1) y (2) en las formas sin dimensiones divulgar los parámetros de flujo que rigen la convección de calor en un canal de rotación. Con un flujo de calor uniforme básicamente impuesto a un canal de rotación, la temperatura del local a granel líquido, Tb, aumenta linealmente en la dirección CBES, s, desde el nivel de entrada de referencia, Tref. Depende de la temperatura local a granel líquido como Tref + τs, donde τ es el gradiente de la temperatura flúida a granel en la dirección del flujo. Sustituciones de los siguientes parámetros sin dimensiones de:

Equation 3(3)

Equation 4(4)

Equation 5(5)

Equation 6(6)

Equation 7(7)

en las ecuaciones (1) y (2), donde Vsignifica, N y d representan respectivamente el flujo promedio a través de la velocidad, velocidad de rotación y diámetro hidráulico del canal, se derivan las ecuaciones de momentum y energía de flujo adimensional como las ecuaciones (8) y (9) respectivamente.

Equation 8(8)

Equation 9(9)

Evidentemente, η en la ecuación (9) es una función del Re, Roy Bu = Ro2βτdR, que se refieren respectivamente como los números de Reynolds, la rotación y la flotabilidad. El número de Rossby que cuantifica la relación entre la inercia y las fuerzas de Coriolis es equivalente a la rotación inversa en la ecuación (8).

Cuando Tb se calcula como Tref + τs en un canal rotando sujeto a un flujo de calor uniforme, el valor τ puede evaluarse alternativamente como Qf/ (mCpL) en que Q f, m y L son la potencia calorífica convectiva, tasa de flujo de masa de refrigerante y canal longitud, respectivamente. Así, la temperatura del granel líquido local adimensional, ηb, es igual a s/d y la temperatura adimensional en la pared del canal, ηw, rendimiento [(w-Tb ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Con la tasa de transferencia de calor por convección definida como Qf/ (Tw-Tb), la diferencia de temperatura de líquido de pared sin dimensiones, ηw-ηb, es convertible en el número de Nusselt local a través de la ecuación (10) en el que ζ es la forma adimensional función de calefacción zona y área transversal del canal.

Equation 10(10)

Con un conjunto de geometrías predefinidas y las condiciones de límite hidrodinámicas y térmicas, los grupos sin dimensiones, controlar el número de Nusselt local de un canal de rotación se identifican como:

Equation 11(11)

Equation 12(12)

Equation 13(13)

Con pruebas experimentales, el ajuste de velocidad, N, para que distintos Ro generar a la transferencia de calor datos a diferentes intensidades de las fuerzas de Coriolis inevitablemente cambian la aceleración centrípeta y por lo tanto, la fuerza relativa de rotación de flotabilidad. Por otra parte, un conjunto de datos de la transferencia de calor de un canal de rotación está siempre sujeto a un grado finito de girar efecto de flotación. Divulgar los efectos individuales de la fuerza de Coriolis y flotabilidad en la transferencia de calor, rendimiento de un canal rotando requiere el desacoplar de los Ro y Bu efectos sobre propiedades de Nu a través del procedimiento de procesamiento de datos de correos que está incluido en el método experimental presente.

Las condiciones de flujo de motor y laboratorio para un canal giratorio dentro de una lámina de rotor de turbina de gas pueden especificarse por las gamas de Re, Ro y Bu. Las condiciones de motor típico para el refrigerante fluyen a través de una lámina de rotor de turbina de gas, así como la construcción y puesta en marcha de la instalación de prueba giratoria que permite experimentos a realizarse cerca de las condiciones real del motor fue reportado por Morris2 . Basado en las condiciones del motor realista por Morris2, figura 1 crea las condiciones de funcionamiento realista en términos de rangos de Re, Ro y Bu para un canal de refrigerante giratoria en una lámina de rotor de turbina de gas. En la figura 1, la indicación de peor condición de un motor se denomina motor chupas a la máxima velocidad del rotor y el cociente más alto de la densidad. En la figura 1, el límite inferior y motor peores condiciones de funcionamiento respectivamente emergen a las velocidades del motor más bajo y más alto. Es extremadamente difícil de medir la distribución de Nu de campo completo de una canal rota funcionando a una velocidad real del motor entre 5000 y 20.000 rpm. Sin embargo, basado en la ley de similitud, a escala de laboratorio las pruebas se realizan a velocidades de rotación reducidas pero con varios intentos de proporcionar una cobertura completa de las real-motor Re, Ro y Bu . Como un método innovador y experimental, la NASA HOST programa3,4,5,6 aprobó las pruebas de alta presión para aumentar las densidades de líquido en el predefinido Re en fin de ampliar la gama de Ro mediante la reducción de la velocidad media del fluido. En este sentido, las relaciones específicas entre Rey Ro Bu para un gas ideal con constante de gas, Rcy viscosidad, μ, están relacionados con como:

Equation 14(14)

Equation 15(15)

Para poner las condiciones del laboratorio en la correspondencia nominal con condiciones del motor observa en la figura 1, la rotación velocidad, N, refrigerante presión, P, canal hidráulico diámetro, d, girar el radio, R, y diferencia de temperatura de líquido de pared, Tw-Tb, necesita ser controlado para igualar los rangos realistas de Re, Ro y Bu . Claramente, uno de los enfoques más eficaces para ampliar la gama de Ro es aumentar el diámetro hidráulico del canal, como Ro es proporcional a d2. Como la prueba de transferencia de calor de laboratorio en realista N es extremadamente difícil, la presión de refrigerante, P, es técnicamente más fácil elevarse para ampliar la gama de Ro ; incluso si sólo es proporcional a P Ro . Partiendo de esta base teórica, la filosofía de diseño del método experimental presente es aumentar Ro presurizando el rotativo canal de ensayo utilizando el diámetro hidráulico de canal máxima permitido para encajar en la plataforma giratoria. Después de haber aumentado la gama de Ro , extender el rango de Bu es por consiguiente como Bu es proporcional a Ro2. En la figura 1, las condiciones de prueba de laboratorio aprobadas para generar los datos de transferencia de calor de rotación de canales también están incluidos3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. como se indica en la figura 1, la cobertura de condiciones motor realista por los datos de transferencia de calor disponible es aún limitada, especialmente para la gama requerida de Bu . Al aire libre y los símbolos sólidos color representados en la figura 1 son los experimentos de transferencia de calor acentuado y campo completo, respectivamente. Como se recoge en la figura 1, la mayor parte del calor transferencia de datos con aplicaciones de refrigeración a gas turbina rotor cuchillas1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 son medidas usando el método de termopar. Los efectos de la conducción de pared en medir la pared conductora del calor flujo y las temperaturas en interfaces líquido-pared socavan la calidad de los datos de la transferencia de calor de las medidas de termopares. Además, el calor transferencia medidas1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 el método de termopar no puede detectar las variaciones de la transferencia de calor bidimensional en una superficie giratoria. Con el presente método experimental29,30,31,32, la detección de distribuciones número de Nusselt de campo completo en la pared giratoria del canal está permitida. La minimización del efecto de la conducción de pared con láminas de acero inoxidable espesor 0,1 mm números de Biot >> 1 para generar la energía de la calefacción por el presente método experimental permite la conducción de calor unidimensional de la hoja de calefacción para el flujo de refrigerante. En particular, la adquisición de datos de la transferencia del calor de campo completo que involucra efectos Ro y Bu no es permisible mediante la técnica de cristal líquido transitoria y el método de termopar. Con el actual estado de equilibrio líquido cristal termografía método19, el rango de temperatura perceptible de 35-55 ° C deshabilita la generación de datos de la transferencia de calor con ratios de densidad realista.

Utilizando los parámetros de flujo que regulan la convección de calor en una canal rota para demostrar que todavía no ha conseguido la cobertura completa de las condiciones del motor realista visto en la figura 1 , por lo tanto la necesidad para adquirir el calor de campo completo transferir datos a condiciones del motor realista ha ha instado continuamente. El presente método experimental permite la generación de transferencia de calor de campo completo con la fuerza de Coriolis y flotabilidad girar efectos detectados. Los protocolos tienen como objetivo ayudar a los investigadores a idear una estrategia experimental relevante para la medición de transferencia realista de campo completo de calor de un canal de rotación. Junto con el método de análisis paramétrico que es único para el presente método experimental, se permite la generación de la correlación de transferencia de calor para la evaluación de los efectos aislados e interdependientes Ro y Bu en Nu .

El artículo muestra un método experimental para generar los datos de transferencia de calor bidimensional de un canal rotando con condiciones de flujo similares a las condiciones del motor de turbina de gas realista pero operando en mucho menores velocidades de rotación en el laboratorios. El método desarrollado para seleccionar la velocidad de rotación, el diámetro hidráulico del canal de prueba y la gama de diferencias de temperatura de líquido de pared para la adquisición de datos en condiciones de motor realista se ilustración en la introducción la transferencia de calor. Las pruebas de calibración para el sistema de termografía infrarroja, pruebas de la calibración de la pérdida de calor y se muestra el funcionamiento de la plataforma de prueba de transferencia calor giratorio. Los factores que causan las incertidumbres significativas de calor transfieren de mediciones y los procedimientos de disociación de la fuerza de Coriolis y efectos de flotabilidad en las propiedades de transferencia de calor de un canal de rotación se describen en el artículo con el selectivo resultados para demostrar el método experimental presente.

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Protocol

Nota: Los detalles de instalaciones de ensayo, adquisición de datos, procesamiento de datos y el módulo de prueba de transferencia de calor mediante un canal de enfriamiento interno de una lámina de rotor de turbina de gas de rotación son en nuestros anteriores trabajos29,30,31 ,32.

1. preparación de las pruebas de transferencia de calor

  1. Formular las condiciones experimentales en términos de Re, Ro y Bu de las condiciones de operación específicas de una lámina de rotor de turbina de gas.
  2. Determinar el N, P, d, Ry Tw - Tb necesaria para la adquisición de la prueba Re, Ro y Bu utilizando las ecuaciones (14) y (15).
  3. Volver a definir la segmentación Re, Ro e Bu si N, P, d, Ry Tw - Tb supera el límite de las instalaciones experimentales.
  4. Diseñar y construir el módulo de prueba de transferencia de calor escala emulando un canal práctico refrigeración interna en un gas turbina rotor blade2.

2. determinación del coeficiente de emisividad térmica sistema de termografía infrarroja

  1. Instale el termopar calibrado en la parte posterior de la hoja escaneada calefacción de acero inoxidable.
  2. Rociar una fina capa de pintura negra en la hoja de acero inoxidable calefacción analizada por la cámara infrarroja.
  3. Crear campos de flujo simétrico en ambos lados de la hoja de acero inoxidable calefacción colocando una hoja vertical de acero inoxidable fina en un espacio de los flujos de convección libres sobre los dos lados de la hoja de calefacción verticales.
  4. Alimentación de energía de la calefacción eléctrica a través de la hoja de la calefacción y medir temperaturas simultáneamente por sistema de termografía de termopar y de infrarrojo de la pantalla de la computadora en estado estacionario.
  5. Repita el paso 2.4 al menos cuatro veces con elevadas potencias de calefacción. Asegúrese de que las temperaturas de pared correspondientes a las potencias de calefacción utilizadas los pasos 2.3 y 2.4 cubrir el rango de Tw determinado por paso 1.2.
  6. Calcular los valores de Twanalizados por el sistema de termografía infrarroja usando un número de coeficientes de emisividad térmica selectiva para el programa que convierte las señales infrarrojas en datos de temperatura.
  7. Comparar los datos de Tw , medidos por el termopar calibrado y el sistema de termografía infrarroja en la ubicación correspondiente a la termocupla punto con las desviaciones estándar evaluadas.
  8. Con la mínima desviación estándar determinada por paso 2.7 Seleccione el coeficiente de emisividad térmica.
  9. Determinar el error máximo de precisión para el sistema de termografía infrarroja utilizando el coeficiente de emisividad térmica determinado por paso 2.8.

3. dinámico equilibrio de rotación de la plataforma

  1. Instale el módulo de prueba de transferencia de calor, la cámara infrarroja, el marco envolvente y todos los accesorios en la plataforma giratoria.
  2. Ajuste del contrapeso peso poco a poco hasta que las condiciones de funcionamiento de la plataforma giratoria satisfacen la limitación de la vibratoria para las mediciones de termografía infrarrojas exponer la imagen térmica estable en la pantalla del ordenador.

4. evaluación de coeficientes de pérdida de calor

  1. Llene el canal de refrigeración del módulo de prueba de transferencia de calor con material de aislamiento térmico.
  2. Instale el módulo de prueba de lleno en la plataforma giratoria de prueba instalando el módulo de prueba en la plataforma giratoria y conectar la fuente de alimentación del calentador y todos los cables instrumentales.
  3. Activar el sistema de adquisición de datos para analizar el temporal Tw variación en una potencia de calefacción hasta que se cumpla con la condición de estado estacionario. Asegúrese de que el temporal Tw variaciones durante los varios análisis sucesivos son menos +0,3 K en cada condición de estado estacionario.
  4. Apunte la potencia del calentador, el estado estacionario Tw datos y la correspondiente temperatura T.
  5. Repita el potencias de calefacción diferentes pasos 4.3 y 4.4, por lo menos cinco veces utilizando a una velocidad de rotación fija.
  6. Repita los pasos 4.2-4.4 con al menos cinco velocidades de rotación. Asegúrese de que la gama de prueba de la velocidad de rotación abarca todos los valores de N determinados por paso 1.2.
  7. Repita los pasos 4.3-4.6 con un sentido de rotación inverso.
  8. Construir los diagramas de flujo de pérdida de calor contra la diferencia de temperatura de pared de ambiente en cada velocidad de rotación.
  9. Correlacionar los coeficientes de pérdida de calor como las funciones de la diferencia de pared-a-temperatura, velocidad y sentido de giro de rotación.
  10. Incorporar la correlación de la pérdida de calor en el proceso post programa para contabilidad de Nu .

5. línea de base pruebas de transferencia de calor

  1. Realice pruebas de transferencia de calor en la selección de números de Reynolds a cero velocidad de rotación (Ro = N = 0) alimentando los flujos del líquido refrigerador y calentador poderes al módulo de la prueba. Asegúrese de que el caudal másico de refrigerante suministrado se ajusta constantemente para controlar el número de Reynolds en el plano de entrada de flujo al valor apuntado.
  2. Registrar los pertinentes datos crudos, incluyendo temperaturas de pared de estado estacionario, líquidas temperaturas, potencias de calefactor, presiones de flujo y presiones ambientales y temperaturas, para el posterior procesamiento de datos.
  3. Evaluar los números de Nusselt (Nu0) de local y un promedio de área sobre las paredes del canal estáticos escaneados.

6. pruebas de transferencia de calor de rotación

  1. Instale el programa de monitoreo en línea para monitorear las condiciones de prueba en la segmentación Re y Ro.
  2. Alimentan el caudal másico medido refrigerante, presión de flujo de aire, rotación de velocidad y temperatura del fluido en la entrada del canal en el programa de monitoreo para calcular el instante Re y Ro.
  3. Registrar todos los datos crudos correspondientes, como rotación velocidad, potencia del calentador, flujo de aire y presiones ambientales, así como las temperaturas de pared y el fluido para el posterior procesado de datos después de que se cumpla con la condición de estado estable previamente definida.
  4. Repita los pasos del 6.2 y 6.3 con al menos cuatro ascendente o descendente de potencias de calefactor en un conjunto de fijo Re y Ro. Asegúrese de que la caída de Re y Ro de prueba dentro de ±1% las diferencias de los valores objetivos mediante el ajuste de la velocidad de rotación, el caudal másico de refrigerante o ambos.
  5. Asegúrese de que las pruebas de transferencia de calor en cada conjunto de fijo Re y Ro con poderes diferentes calentador continuamente se realizan como el desarrollo de flujos de flotabilidad inducida se asocia con la «historia» del desarrollo de flujo.
  6. Repita los pasos del 6.4 y 6.5 con cuatro o cinco objetivos Reynolds números (Re) en un número fijo de rotación (Ro). Asegúrese de que la velocidad de rotación se ajusta apropiadamente en cada prueba de Re a Re y Ro de control en los valores objetivos dentro de ±1% diferencias.
  7. Repita el paso 6.6 usando cuatro o cinco dirigidas a números de rotación (Ro).
  8. Repita los pasos 6.2 a 6.7 con sentido de rotación inverso.
  9. Evaluar el local y un promedio de área número de Nusselt (Nu) sobre las paredes de canales giratorio escaneadas utilizando un programa de procesamiento de datos.

7. paramétricos análisis

  1. Correlacionar el promedio de área Nusselt números (Nu0) recogidos desde el canal estática en las funciones del número de Reynolds.
  2. Evaluar el local campo completo Nu/Nu0 cocientes en cada fijo Re y Ro probaron con el promedio de área Nu/Nu0 calculó.
  3. Verificar la aplicabilidad de aislamiento Re efecto trazando el local y área promedio Nu/Nu0 cocientes obtienen con diferentes Re pero en idéntica Ro.
  4. Divulgar el impacto aislado de flotabilidad en propiedades de transferencia de calor del canal de prueba giratoria de rotación trazando el área promedio Nu/Nu0 coeficientes recogidos en el mismo Ro con diferentes Re contra Bu o de densidad (Δρ/ρ). Asegurar la selección preferible de Bu o Δρ/ρ para la construcción de este tipo de trama para la obtención de la tendencia de datos consistentes con una estructura funcional simple de calor transferencia de correlación.
  5. Extrapolar cada Nu/Nu0 tendencia de los datos recogidos en una fija Ro pero diferentes Re en la condición limitante de Bu→0 o Δρ/ρ→0.
  6. Recoger la extrapolación NuNu0 resultados con Bu→0 o Δρ/ρ→0 en la prueba Ro.
  7. Parcela la extrapolación Nu/Nu0 resultados con interacción desaparecida flotabilidad contra Ro para revelar el Coriolis desacoplados fuerza efectos sobre las propiedades de transferencia de calor.
  8. Correlacionar los resultados de la prueba recogidos por pasos 7.4 y 7.7 en las funciones de Ro y Bu.

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Representative Results

Condiciones de funcionamiento realista de los flujos de refrigeración interna dentro de una paleta giratoria de la turbina de gas en términos de Re, Ro y Bu se comparan con las condiciones del laboratorio emulado en la figura 1. Los puntos de datos caen en las condiciones del motor realista utilizando el método experimental presente en protocolos11,14,17,20,21. Aunque los datos de transferencia de calor de campo completo son más útiles que el acentuado calor transferencia de datos de canales giratorios, la mayor parte de los anteriores experimentos de transferencia de calor adoptan el método de termopar (figura 1). El presente método de la termografía infrarroja detecta la información de transferencia de calor de campo completo de una superficie giratoria con los flujos inducidos por flotabilidad completamente desarrollados. Con el libre o forzado convectivo externo fluye una estática o canal de ensayo de rotación, los protocolos actuales incluyen la generación de las correlaciones de la pérdida de calor por post procesamiento de datos (figura 2). En la parte superior de la figura 2, se demuestra también la construcción de módulo de prueba de transferencia de calor. Los coeficientes correlativos para todas las líneas equipadas por figura 2 caen entre 0.95-0.98. En vista de la correlación de hpérdidaen la trama de hpérdidacontra N en la figura 2, las barras de error indican el rango de datos determinado en cada velocidad de rotación.

Figura 3, figura 4y figura 5 muestran los resultados de transferencia de calor selectivo medidos desde el estático canal S en dos pasadas con costillas onduladas longitudinales, la rotación dos pasadas S-canal31 y el ceño giratorio32 y pasador de aleta canal33. Surcado de la incertidumbre estimada máxima de las mediciones de Nu para el canal acanalado S estático, la rotación S-canal31, canal32 y pasador de aleta canal33 7,9%, 8,8%, 9.2% y 9.7%, respectivamente. Para conocer el impacto de la Re en las propiedades de transferencia de calor de un canal de refrigeración, son esenciales los datos de transferencia de calor de campo completo de línea de base detectados desde el canal estático por el método de termografía infrarroja presente como caracterizado por figura 3 . El esquema que aparece en la parte superior de la figura 3 también muestra la configuración de canal del canal de S dos pasadas con las costillas longitudinales onduladas. La sección del canal es cuadrada con las costillas onduladas longitudinales sección semi circulares en dos paredes opuestas de calefacción de las patas de entrada y salida.

La aplicabilidad del aislado Re impacto de Ro y Bu efecto de transferencia de calor local y regionalmente promedio está permitida mediante la presentación de los datos de transferencia de calor en términos Nu/Nu0 (figura 4). Patrones y niveles de Nu/Nu0 en el mismo Ro con similares Bu parece débil función de Re (figura 4). Los resultados típicos del protocolo para revelar los efectos de la fuerza de Coriolis aislados en las propiedades de transferencia de calor se demuestran en la figura 5. En la figura 5, las variaciones de NuNu0 en cada uno fija Ro contra Bu para dos canales giratorios con diamante en forma de aletas pin33 y paredes onduladas32 tienden a sigue las tendencias lineales como datos. Por lo tanto, la extrapolación lineal cuando Bu→0 se selecciona para el identificado NuNu0 niveles en Bu = 0 y Ro> 0. Pero, debido a las configuraciones de canal distinto, NuNu0 relaciones medidos desde el giratorio estriado32 y pasador de aleta33 canales como se muestra en la figura 5 son respectivamente disminuido y aumento levantando Bu. En este sentido, la representación de Nu/Nu0 variaciones contra densidad (Δρ/ρ)3,4,5,6, 34 a menudo ha conducido a la no-lineal Nu/Nu0 variaciones. Por lo tanto, la extrapolación de cada NuNu0 datos de tendencia en un fijo Ro hacia el límite asintótico de Δρ/ρ→0 con efecto de flotación disminuida a lo largo de una tendencia no lineal de datos es a menudo afectada por la tipo de función correlativa seleccionada. Sin embargo, el procedimiento de extrapolar datos para los resultados de transferencia de calor de las paredes principales y al final de la rotación de canales32 demuestra la aplicabilidad para desentrañar los efectos aislados fuerza de Coriolis en transferencia de calor propiedades con interacción desaparecida flotabilidad en Bu= 0 (figura 5).

El supuesto de flotabilidad cero Nu/Nu0 relaciones sólo están controlados por Ro para reflejar los efectos de la fuerza de Coriolis aislado. La forma de variaciones de transferencia de calor de las referencias de estática-canal divulgadas pasos 7.7 y 7.8 se caracteriza por la figura 6. El impacto de Ro separado por el efecto de flotabilidad sobre las actuaciones de transferencia de calor de un canal de rotación está relacionado como la función de Ro para ser parte de Nu/Nu0 correlación (figura 6). El positivo o negativo ψ2valores en la figura 6 indican la mejora o impedir efectos sobre actuaciones de transferencia de calor debido a las interacciones de la flotabilidad. La más grande magnitud ψ2 , los grados más altos de rotación de flotabilidad impacto se imponen sobre las propiedades de transferencia de calor. Las líneas ajustadas indicadas en la figura 6 son las parcelas de las funciones correlativas. Las estructuras funcionales de las correlaciones para flotabilidad cero Nu/Nu0 coeficientes y valores de ψ2 generalmente se determinan con arreglo a las costumbres diferentes de los datos de tendencias emergieron en figura 6 . Como comentamos anteriormente, el canal diferentes geometrías entre el ceño32 y pasador de aleta33 canales respectivamente han llevado a los positivos y negativos ψ2 valores en la figura 6. Pero la característica común de las magnitudes reducidas de los valores ψ2 causadas por el aumento de Ro se observa para los dos tipos de rotación de canales32,33 en la figura 6. Que correlacionan los valores ψ2 y NuNu0 relaciones en condiciones de flotabilidad cero en las funciones de Ro , el calor transferencia de correlaciones, que permiten la evaluación de los aislados y junto a efectos Ro y Bu en Nu/Nu0, se genera la rotación un canal determinado.

Figure 1
Figura 1. Realistas de trabajo Re, Ro y la unidad de negocio y las condiciones del laboratorio emulada para un canal de refrigerante giratoria en una lámina de rotor de turbina de gas. Las condiciones de la prueba realizadas por la NASA HOST programa3,4,5,6 se indican como la barra de símbolo. Los símbolos abiertos y sólidos significan respectivamente que el Bu, Roy Re prueban de rangos para las mediciones de transferencia de calor acentuado y campo completo. Números entre corchetes son referencias que se toman datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Coeficientes de pérdidas de calor típica (hpérdida) a varios rotativo velocidades30 utilizando el doble paso rugosa costilla rotando canal trapecial como un ejemplo ilustrativo. El diagrama en la parte superior muestra los detalles de la construcción del módulo de prueba de rotación. La pendiente de cada tendencia de datos constituida por el flujo de pérdida de calor contra la diferencia de temperatura de pared de ambiente que se muestra en la parte inferior izquierda muestra el coeficiente de pérdida de calor a la velocidad de rotación específica. Al correlacionar los coeficientes de pérdida de calor detectado en todas la velocidad de rotación a prueba, la correlación de la pérdida de calor generado tipificada por la parcela derecha inferior está incorporada en el programa de procesamiento de datos para contabilidad de Nu . Las barras de error en la trama inferior derecha indican los rangos de hpérdida de30. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Distribución número de Nusselt local de la estática paso doble S-canal rugosa por costillas rizadas en Re = 15.000 medido por método de termografía infrarroja presente. El diagrama superior muestra la pared final del canal ondulado dos pasadas y las S costillas longitudinales. Como se indica por la AA' sección opina, el par de S-nervios longitudinales dispuestas en línea en dos paredes opuestas de la canal. En la distribución detallada de número de Nusselt en la pared ondulada dos pasadas que se muestra como la trama de la menor, se descartan los datos Nu a lo largo de los dos nervios longitudinales de S debido a los efectos de la conducción de la pared sobre la distribución de flujo de calor y temperatura de la pared. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4. Ejemplos que demuestran el aislamiento de impacto Re Ro y Bu efecto de calor local y promedio regional transferir propiedades de rotación canal. La parte superior muestra la detallada distribución de número Nusselt en un fijo Ro de 0.15 con un diferente Re de 5000, 7500, y 12.500 para iluminar el impacto del número de Reynolds en el calor de transferencia de propiedades de la pared rota. La parte inferior representa las propiedades de transferencia de calor promedio de área sobre la rotación iniciales y paredes. El normalizado Nu/Nu0 relaciones destacan las variaciones de la transferencia de calor de los escenarios no girando por rotación. Adaptado con permiso de Chang et al. 201731. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5. Ejemplos que demuestran el efecto Ro desacoplado de Bu impacto en calor transferir propiedades de rotación canal32,33. Cada Bu-impulsado NuNu0 variación es obtenida en el fijo Ro y correlacionado como una función lineal de la UB como se indica por la línea recta en cada parcela. Los coeficientes de correlación de estas líneas equipadas caen entre 0.96 y 0.98. La extrapolación de la Nu/Nu0 datos tendencia →0 Bua lo largo de cada línea equipada revela el Nu/Nu0 cociente en la prueba de Ro. La magnitud y la pendiente de cada Bu-impulsado Nu/Nu0 tendencia de datos revelar los modos de efecto de flotabilidad sobre actuaciones de transferencia de calor. Las magnitudes de las laderas representan los grados de impacto de Bu en Nu/Nu0. Las pendientes positivas y negativas respectivamente reflejan el impacto de flotación mejora y perjudicial en los niveles de transferencia de calor. Números entre corchetes son referencias que se toman datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6. Efectos Uncoupled Ro y Bu en actuaciones de transferencia de calor promedio regional de la rotación ondulado canal32,33. La parte superior recoge los escenarios de transferencia de calor en varios Ro pero con efecto de flotación desapareció en Bu = 0. Tal NuNu0 variaciones son únicamente fuerzas de Coriolis causada por los diversos en diferentes Ro. La parte inferior muestra las variaciones de impacto Bu Nu/Nu0 en diferentes Ro. Los negativos y positivos indican los respectivos valores de ψ2 alterar y mejorar impactos de Bu en el calor transferencia de funcionamientos de los pin-aleta33 canales y surcada32 . Las líneas de puntos en esta figura son los resultados de la correlación de Nu/Nu0 en Bu = 0. Números entre corchetes son referencias que se toman datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Mientras que las temperaturas de pared de un canal de rotación son detectadas por un sistema de termografía infrarroja, se miden las temperaturas del fluido mediante termopares. Como el campo magnético alternativo de un motor AC que impulsa una plataforma giratoria induce potencial eléctrico para interferir la medición del termopar, el motor de la C.C. se debe adoptar para impulsar una plataforma giratoria de prueba.

La distribución de la temperatura del fluido en el plano de salida de un canal climatizada no es uniforme. Se recomiendan al menos cinco termopares en el plano existente de un canal rotando para medir las temperaturas de salida de fluido local. En particular, estos termopares de medición de las temperaturas de líquido instaladas en el paso del flujo están sujetas a fuerzas centrífugas durante las pruebas de rotación. Los cables de termopar están doblados fácilmente hacia las paredes del canal caliente. Por lo tanto, se utiliza un cable apantallado termopar para medir la temperatura de entrada del fluido. En el plano de salida de flujo, teje una malla con varios granos de termopar en la malla puede ser intercala entre las bridas de salida de un canal de prueba para detectar la temperatura de salida fluido en las localizaciones predefinidas bajo una condición de prueba giratoria.

Con la considerable rotación inducida por efectos de la flotabilidad en las características de transferencia de calor y flujo de un canal de rotación, el método seleccionado para detectar que los datos de transferencia de calor de campo completo deben incluir los efectos de la fuerza de Coriolis y flotabilidad. El método transitorio de cristal líquido para la medición de los datos de transferencia de calor de campo completo, las capas límite térmicas no están todavía completamente desarrolladas como imprescindibles las variaciones de temperatura de pared de canal temporal por este método para adquirir el calor por convección coeficientes de transferencia. Como la aceleración centrípeta podría alcanzar 105 x g en un canal de refrigeración de una paleta giratoria de la turbina de gas, los datos de transferencia de calor conforme a las influencias de los flujos de flotabilidad completamente desarrollado, que son detectables por el método experimental presente, son más práctica para las actividades de diseño.

La exposición de la pared de la canal caliente escaneada a una cámara infrarroja inevitablemente incurre en pérdida de calor desde el calor de Joule generado por las láminas de calefacción. Los protocolos para la realización de las pruebas de calibración de pérdida de calor son fundamentales para asegurar la calidad de los datos de transferencia de calor. Herencia de los flujos externos convección libres o forzados para un canal de prueba estática o rotativa, los coeficientes de transferencia de calor por convección pueden correlacionarse como la función de la diferencia de temperatura de pared de ambiente a una velocidad de rotación fija (figura 2). es preferible que envuelve el todo módulo de prueba de transferencia calor giratorio con un escudo para la recuperación de la "libre-convectivo" como flujos externos durante las pruebas de rotación. La máxima incertidumbre experimental de datos de la transferencia de calor generalmente se reduce cuando se reduce el porcentaje del flujo de pérdida de calor desde el flujo de calor suministrado. Sin embargo, los coeficientes de pérdida de calor se aumentan ligeramente a medida que N aumenta incluso con el escudo de envoltura que cubre el módulo de prueba de transferencia de calor completo (figura 3). La correlación de la pérdida de calor está incluida en el programa de post procesamiento de datos para evaluar la distribución de flujo de pérdida de calor local para cada conjunto de resultados de prueba de transferencia de calor. Como la inercia térmica del módulo de transferencia de calor por material de aislamiento termal se incrementa considerablemente, el tiempo necesario para alcanzar la condición de estado estacionario durante cada prueba de la pérdida se extiende considerablemente de una prueba de transferencia de calor con flujo de aire .

Es esencial investigar la aplicabilidad del aislamiento Re efecto en las propiedades de transferencia de calor de aquellos inducidos por rotación. Como el efecto de Re en actuaciones de transferencia de calor depende de las configuraciones de canal, no es apropiado adoptar habitualmente las correlaciones de transferencia de calor generadas a partir de otras geometrías de canal como las referencias de la transferencia de calor estática-canal. El presente método experimental aísla Re impacto de Ro y Bu efecto mediante la presentación de los datos de transferencia de calor en términos Nu/Nu0, en la que Nu0datos son medidos para el canal de prueba estática. Mientras que el efecto de flotación en un canal de rotación con aceleración centrípeta alrededor de 105 x g es considerable, el efecto de flotabilidad impulsada por la gravitación en la característica de transferencia de calor de un canal estático es generalmente insignificante dentro del rango típico de ratios de densidad del fluido para un canal de prueba estática.

Durante una prueba de transferencia de calor después de la alimentación de potencia del calentador para generar los gradientes de temperatura necesarios para facilitar la convección de calor, es inevitable un cierto grado de efecto de flotación impulsado por el campo inducido aceleración centrípeta en el canal de rotación . Tal había acoplado Ro y Bu efectos para un canal rotativo en las condiciones del motor realista no son despreciables debido a las extremadamente altas aceleraciones centrípetas. Por lo tanto, fuerza de Coriolis y la rotación nivel de flotabilidad se alteran simultáneamente cuando se ajusta la velocidad de rotación. El control simultáneo de Ro y Re en los valores objetivos durante el experimento de rotación es esencial para desacoplar la Ro y Bu los efectos sobre las propiedades de transferencia de calor. Habiéndose fijado Ro y Re, las variaciones de la transferencia de calor correspondiente a la variación del flujo de calor, o nivel de flotabilidad, reflejan el efecto giratorio de la flotabilidad en propiedades de transferencia de calor en la prueba de Ro. Nu/Nu0 datos convertidos a partir del conjunto de datos generado de esta manera permiten la implementación de pasos 7.4-7.8 para identificar el efecto de la fuerza de Coriolis y la rotación efecto de flotabilidad en el aislamiento.

El impacto de Bu en la característica de transferencia de calor de un canal de rotación es a menudo dependiente como ejemplo figura 6 en la que los valores ψ2 son variados como cambios de Ro de Ro . No es apropiado seleccionar la estructura matemática de la correlación de transferencia de calor que trata el Ro y Bu como parámetros independientes en la correlación.

Teniendo en cuenta el Nu/Nu0 extrapolación hacia la condición limitante de Bu→0, la lineal como NuNu0 las variaciones contra el parámetro de flotabilidad seleccionado es preferible para reducir el incertidumbre causada por la extrapolación de datos. En este sentido, el cociente de la densidad del fluido, Δρ/ρ o la flotabilidad número, Bu, se recomienda que el parámetro de flotabilidad para revelar la flotabilidad cero Nu/Nu0 nivel durante esos datos por extrapolación proceso.

Con alta presión girando las pruebas, las deformaciones de calefacción láminas y los componentes constituyentes de un canal rotando debido a las dilataciones térmicas en varios patrones de distribución de la temperatura a menudo causan fugas de flujo de aire durante la prueba de rotación. Tales fugas pequeñas de flujo de aire es difícil de identificar durante la prueba de rotación. Así, inmediata posterior procesado de datos se recomienda para la adquisición de los datos de transferencia de calor del canal giratorio. Por que interroga los resultados de transferencia de calor obtenidos de las pruebas de rotación anteriores, la implicación de cualquier tendencia de datos incoherentes es la salida de flujo de aire posible. Las medidas posteriores para detectar y prevenir la salida de flujo de aire se requieren.

Hemos demostrado un método para generar los datos de transferencia de calor de un canal de rotación en las condiciones del motor realista con el efecto de la fuerza de Coriolis y la rotación efecto de flotación desacoplado. La limitación principal del presente método experimental para la ampliación de las gamas de prueba del Ro y Bu es la sostenibilidad de la cámara infrarroja que gira con el canal de ensayo. En general, 10 x g es la aceleración centrífuga sostenible máxima para una cámara infrarroja. En relación con el método existente detectando las velocidades de transferencia de calor de un canal de rotación, el uso de la hoja fina de la calefacción puede reducir al mínimo los efectos de la conducción del canal de la pared en la distribución del flujo de calor por convección local y la detección de temperaturas en pared-fluid interfaces. También, la distribución de transferencia de calor de campo completo dos dimensiones sobre una superficie giratoria sujeta al efecto de flotación estacionaria son detectables con la técnica experimental presente. Con el análisis de los datos método desarrollado, las influencias de la fuerza de Coriolis y flotabilidad en la propiedad de transferencia de calor de campo completo de un canal de rotación de rotación puede ser desacoplado. Este método ya ha sido aplicado a una amplia gama de configuraciones de canal de rotación. Esperamos que la presente estrategia experimental puede conducir a la transferencia de calor de diseño respetuosos correlaciones y que continuará ampliar de la cobertura total de la condiciones del motor realista cuando el avance de la tecnología de cámara infrarroja permite su usos en las condiciones con las mayores aceleraciones centrífugas.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

El presente trabajo de investigación fue patrocinado financieramente por el Ministerio de ciencia y tecnología de Taiwán bajo la Donaci6n NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 y 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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