Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

Shyy Woei Chang; Wei-Ling Cai; Hong-Da Shen; Kuo-Ching Yu

doi:10.3791/57630

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Ingeniería

解耦科里奥利力和旋转浮力对旋转通道全场传热性能的影响

Published: October 05, 2018

doi:

10.3791/57630

Shyy Woei Chang, Wei-Ling Cai, Hong-Da Shen, Kuo-Ching Yu

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

Summary

在这里, 我们提出了一个实验方法, 以解耦的科里奥利力和旋转浮力效应的全场传热分布的旋转通道。

Abstract

提出了一种探索轴向旋转通道传热特性的实验方法。通过对旋转参照系的动量和能量方程的参数分析, 确定了旋转通道中传输现象的特征控制流参数。基于这些无量纲流方程, 提出了将测试模块的设计、实验程序和数据分析联系在一起的实验策略, 试图揭示出孤立的科里奥利力和浮力对热的影响。传输性能。利用不同几何形状旋转通道测量的选择性结果, 说明了科里奥利力和旋转浮力的影响。在不同的旋转通道中, 科里奥利力和旋转浮力的影响具有几个共同的特征, 而与流动方向、通道形状和热布置的关系则发现了独特的传热特征。传输增强设备。无论旋转通道的流动配置如何, 所提出的实验方法都能使物理一致性的传热相关性得到发展, 从而能够对分离和相互依存的科里奥利力进行评估, 并旋转浮力对旋转通道传热性能的影响。

Introduction

当热力学定律通过提高涡轮进入温度来决定燃气轮机发动机的特定功率和热效率时, 一些热引擎部件, 如涡轮叶片, 容易受到热损伤。燃气轮机转子叶片的内部冷却允许涡轮进入温度超过叶片材料的蠕变阻力的温度限制。但是, 内部冷却通道的配置必须符合刀片式服务器的配置文件。特别是, 冷却剂在转子叶片内旋转。对于运行中的燃气轮机转子叶片具有如此苛刻的热工况, 有效的叶片冷却方案对于保证结构的完整性至关重要。因此, 旋转通道的局部传热特性对于有效利用有限的冷却液流是很重要的。在实际的发动机条件下, 获得适用于内部冷却通道设计的有用的传热数据, 对于测量某一模拟冷却通道内的燃气轮机转子叶片。

转速在 1万 rpm 以上的旋转大大改变了燃气轮机转子叶片内旋转通道的冷却性能。这种旋转通道的发动机条件的识别是允许使用相似定律。旋转时, 通过推导相对于旋转参照系的流动方程, 可以揭示控制径向旋转通道内传输现象的无量纲群。莫里斯¹导出了相对于旋转参照系的动量守恒方程:

(1)

在方程 (1) 中, 局部流体速度, v̄, 与位置向量, r̄相对于一个参考框架旋转的角度速度, ω, 受科氏加速度的影响, 从 2 (ωxv̄),解耦向心浮力, β(tt_ref) (ωxωxr̄), 驱动压电-公制压力梯度 , 和流体动态粘度, ν。参考流体密度, ρ_ref, 被称为预定义流体参考温度T_参考, 这是典型的局部流体体积温度的实验。如果机械能的不可逆转的转换到热能是微不足道的, 能量守恒等式减少到:

(2)

第一项方程 (2) 是通过处理特定焓直接与局部流体温度, T, 通过恒定比热, C_p得到的。由于加热旋转通道中流体温度变化引起的流体密度扰动, 对流体在方程 (1) 中与向心加速度连接时, 流体的运动速度和轴向旋转通道中的温度场耦合。同时, 在调整转速的同时, 科里奥利和向心加速度也随之变化。因此, 科里奥利力和旋转浮力对流体速度和温度场的影响是自然耦合的。

无量纲形式的方程 (1) 和 (2) 揭示了控制旋转通道内热对流的流动参数。在旋转通道上采用基本均匀热流, 局部流体体积温度, t_b, 在流向方向上线性增加, s, 从参考入口水平, t_ref。局部流体体积温度被确定为T_ref + τs, 其中τ是流体体积温度在流动方向上的梯度。下列无量纲参数的替换:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

在方程 (1) 和 (2) 中, V_均值、 N和d分别代表流速、旋转速度和通道水力直径的平均流, 导出无量纲流动量和能量方程, 作为方程 (8) 和 (9) 分别。

(8)

(9)

显然, 方程 (9) 中的η是反渗透²βτdR的函数, 分别被称为雷诺、旋转和浮力数. 将惯性和科里奥利力的比值量化的罗斯贝波数字等价于等式 (8) 中的逆旋转数。

当t_b 在旋转通道中被计算为t_ref + τs的情况下, 受均匀热流的作用, τ值可以作为q_f/(mC_pL) 进行评价. _f、 m和L分别为对流加热功率、冷却液质量流量和通道长度。因此, 无量纲局部流体体积温度, η_b, 等于s/d和通道壁上的无量纲温度, η_w, 屈服 [(t_wt_b )/Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d。随着对流换热速率的定义为Q_f/(t_wt_b), 无量纲壁-流体温差, η_wη_b, 是通过方程 (10) 可转换成局部努塞尔数, 其中ζ为加热区和通道截面积的无量纲形函数。

(10)

用一组预定义的几何图形和水动力和热边界条件, 确定了控制旋转通道局部努塞尔数的无量纲群:

(11)

(12)

(13)

通过实验测试, 调整转速, N, 为不同的Ro产生传热数据的科氏力的各种力量不可避免地改变向心加速度, 从而, 相对强度的旋转浮力。此外, 从旋转通道收集的一组传热数据总是受有限程度的旋转浮力效应的影响。为了揭示科里奥利力和浮力对旋转通道传热性能的影响, 需要通过后处理程序将Ro和布对其性能的影响解耦 ,是包含在目前的实验方法。

燃气轮机转子叶片内旋转通道的发动机和实验室流动条件可由Re、 Ro和步进的范围指定。莫里斯2报告了通过燃气轮机转子叶片冷却液流动的典型发动机条件, 以及允许在实际发动机条件附近进行实验的旋转试验装置的建造和调试..根据莫里斯²总结的现实引擎条件,图 1构造了燃气轮机转子叶片旋转冷却器通道的Re、 Ro和步进范围的实际操作条件。在图 1中, 发动机最坏情况的指示被称为发动机运行状态的最高转速和最高密度比。在图 1中, 较低的极限和最坏的发动机运行条件分别出现在最低和最高的发动机速度。在5000到 2万 rpm 的情况下, 测量一个旋转通道的全速运行速度是非常困难的。然而, 基于相似性定律, 实验室规模的测试已经进行了在减少的转速, 但有几个尝试, 以提供全面覆盖的实际发动机Re, Ro和步范围。作为一种创新的实验方法, 美国宇航局³^、⁴^、⁵^、⁶的主机项目采用高压试验, 在预定的Re中增加流体密度。为了通过降低平均流体速度来扩展Ro范围。在这方面,稀土、 Ro和布的具体关系, 气体常数, R_c和粘度, μ的理想气体, 是相关的:

(14)

(15)

为使实验室条件进入与发动机条件的标称对应,如图 1所示, 转速、 N、冷却液压力、 P、通道水力直径、 d、旋转半径、 R和壁-液温差, tt_b, 需要控制, 以配合实际的Re, Ro和步范围。显然, 扩大ro范围的最有效方法之一是增加通道水力直径, 因为ro与d²成正比。由于实验室传热试验在现实的N是非常困难的, 冷却剂压力, P, 在技术上更容易提高, 以扩大Ro范围;即使Ro与P成正比。基于这一理论背景, 本实验方法的设计理念是通过对旋转试验通道的最大通道水力直径进行加压, 提高Ro的性能。随着ro范围的增加,步进的范围也随之扩展, 因为步进与ro²成正比。在图 1中, 所采用的实验室测试条件产生的旋转通道的传热数据也包括³^,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. 如图 1所示, 现有的传热数据对现实引擎条件的覆盖率仍然有限, 特别是在所需的步进范围内。图 1中所描述的开放和有色固体符号分别是尖和全场传热实验。如图 1所示, 大部分的传热数据与冷却应用到燃气轮机转子叶片¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶是点测量使用热电偶方法。墙体传导效应对测量墙体导电热流和流体壁面温度的影响, 破坏了热电偶测量转换后的传热数据质量。此外, 传热测量¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶,⁷^, ⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶使用热电偶方法不能检测旋转表面的二维传热变化。利用现有的实验方法²⁹^、³⁰^、³¹^、³², 对旋转通道壁上的全场努塞尔数分布进行检测是允许的。用0.1 毫米厚的不锈钢箔与毕号 > > 1 的壁传导效应最小化, 通过本实验方法产生加热功率, 允许从加热箔到冷却液流的一维导热。特别是, 采用瞬态液晶技术和热电偶法, 不允许获得涉及Ro和步进效应的全场传热数据。采用目前稳态液晶热成像方法¹⁹, 可检测到的温度范围为35-55 摄氏度, 使传热数据的生成具有逼真的密度比。

利用流动参数控制旋转通道内的热对流, 以证明图 1中所见的真实引擎条件的完全覆盖尚未实现, 因此需要获取全场热传输数据现实的发动机条件不断敦促。本实验方法能同时检测到科里奥利力和旋转浮力效应, 产生全场传热。这些议定书的目的是协助调查人员设计一个与实际的旋转通道的全场传热测量有关的实验策略。与目前实验方法所独有的参数分析方法一样, 允许对对其分离和相互依存的反渗透和布效应进行传热相关性的生成.

本文介绍了一种实验方法, 旨在产生与实际燃气轮机发动机条件类似的流动条件的旋转通道的二维传热数据, 但在更低的转速下运行实验室。介绍了在实际发动机条件下获取传热数据时, 选择转速、试验通道的水力直径和壁-液温度差范围的方法。介绍了红外热成像系统的标定试验、热损标定试验和旋转传热试验台的运行情况。本文介绍了引起传热测量的重要不确定因素, 以及科里奥利力和浮力对旋转通道传热特性的解耦过程, 并以选择性结果表明了目前的实验方法。

Protocol

注: 旋转测试设施、数据采集、数据处理和模拟燃气轮机转子叶片内部冷却通道的传热测试模块的详细信息在我们以前的工作29,30,31 ,32。 1. 传热试验的准备根据燃气轮机转子叶片的目标操作条件, 从稀土、 Ro和步进等方面制定实验条件。用方程…

Representative Results

与图 1所示的模拟实验室条件相比, 旋转燃气轮机叶片内部冷却液流动的实际操作条件是从Re、 Ro和步进。数据点下落在现实引擎情况使用当前实验方法总结在协议11,14,17,20,21。虽然全场传热数据比从旋转通道测量的尖传热数据更有用…

Discussion

在红外热像仪检测旋转通道的壁温度时, 流体温度由热电偶测量。由于驱动旋转钻机的交流电动机的替代磁场诱发电位干扰热电偶测量, 因此必须采用直流电机驱动旋转试验台。

加热通道出口面上的流体温度分布不均匀。建议在旋转通道的现有平面上至少五个热电偶来测量局部流体的出口温度。特别是, 这些热电偶测量的流体温度安装在流动通道是受离心力的力量在旋转试验?…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

目前的研究工作是由台湾科学技术部在赠款 94-2611-e-022-001、国安 95-2221-e-022-018、国安理事会 96-2221-e-022-015MY3 和国安理事会 97-2221-e 022-013-MY3 的资助下进行的。

Materials

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

Referencias

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Chang, S. W., Cai, W., Shen, H., Yu, K. 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).