כוח קוריוליס uncoupling ואפקטים ציפה מסתובב על שדה מלא חום להעביר את המאפיינים של ערוץ מסתובב

Summary

כאן, אנו מציגים שיטה ניסיונית עבור decoupling כוח קוריוליס בתלות ואפקטים ציפה סיבוב על העברת חום מלא-שדה הפצות ערוץ מסתובב.

Abstract

שיטה ניסיונית עבור חקר המאפיינים העברת החום של ערוץ axially מסתובב מוצע. מפרמטרי הזרם השולטים המאפיינות את התופעות תחבורה בערוץ מסתובב מזוהים באמצעות ניתוח פרמטרית של המשוואות תנע ואנרגיה מתייחס מסגרת ייחוס מסתובבת. בהתבסס על משוואות הזרימה שהוא אלה, אסטרטגיית ניסיוני המקשרת את העיצוב של המודול מבחן, התוכנית הניסיונית, ניתוח הנתונים שניסח עם הניסיון לחשוף את כוח קוריוליס מבודד ואפקטים ציפה על חום העברת הופעות. ההשפעות של כוח קוריוליס וסיבוב ציפה מומחשים באמצעות התוצאות סלקטיבי נמדד מלהסתובב לערוצי גיאומטריות שונות. בעוד כוח קוריוליס, ציפה סיבוב השפעות לשתף מספר תכונות משותפות בין הערוצים השונים מסתובב, החתימות העברת חום מיוחדת נמצאים בשיתוף עם כיוון הזרימה, הצורה ערוץ, הסידור של חום העברת שיפור התקנים. בין התצורות זרימה של הערוצים מסתובב, השיטה הניסיונית הציג מאפשר ההתפתחות של מתאמים העברת חום עקבית פיזית כי היתר הערכת בתלות מבודדים -כוח קוריוליס, סיבוב-ציפה השפעות על החום להעביר מאפיינים של סיבוב ערוצים.

Introduction

ואילו חוקים תרמודינמי מכתיב את העוצמה ספציפי משופרת ואת הנצילות התרמית של מנוע טורבינת גז על ידי העלאת הטמפרטורה כניסה טורבינה, מספר רכיבי מנוע חם, כגון להבי טורבינות, נוטים נזק תרמי. קירור פנימיים להב הרוטור טורבינת גז היתרי כניסה טורבינה חום מעל לגבולות טמפרטורה של ההתנגדות השרץ של החומר להב. עם זאת, התצורות של תעלות קירור פנימיים חייב לציית לפרופיל להב. בפרט, הקירור מסתובב בתוך להב הרוטור. בתנאים הקשים האלה תרמית עבור להב הרוטור פועל טורבינת גז, ערכת קירור יעיל להב חיוני להבטיח השלמות של המבנה. לפיכך, מאפייני העברת חום מקומי עבור ערוץ מסתובב חשובים עבור השימוש יעיל של זרימת נוזל קירור מוגבלת זמין. הרכישה של חום שימושי העברת הנתונים הרלוונטיים העיצוב של המעברים קירור פנימיים-מנוע מציאותי התנאים ישנה חשיבות רבה כאשר שיטה ניסיונית מפותחת למדידת חום העברת מאפייני מדומה קירור פנימה להב הרוטור טורבינת גז.

סיבוב במהירות מעל 10,000 סל ד משנה במידה ניכרת את ביצועי קירור ערוץ מסתובבת פנימה להב הרוטור טורבינת גז. הזיהוי של מנוע התנאים עבור ערוץ כזה מסתובב מותר באמצעות החוק דמיון. עם סיבוב, הקבוצות שהוא לשלוט התופעות תחבורה בתוך ערוץ בצורה רדיאלית מסתובב יכול להתגלות על ידי שתנבע המשוואות זרימה יחסית מסגרת ייחוס מסתובבת. מוריס¹ יש לגזור את המשוואה שימור תנע של זרימה יחסית מסגרת ייחוס מסתובבת כמו:

(1)

משוואה (1), מהירות נוזלים מקומיים, v̄, עם וקטור המיקום, r̄, ביחס ייחוס מסתובבת במהירות זוויתית, ω, מושפע את האצת קוריוליס במונחים של 2 (ω×v̄), decoupled ציפה צנטריפטלי לכפות, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), מעבר הצבע מונע לחץ piezo-מטרי, , ואת צמיגות דינאמית נוזלים, ν. צפיפות הנוזל שאליו בוצעה הפניה, ρ_ref, נקרא מוגדרים מראש התייחסות נוזל טמפרטורה T_ref, האופייני הטמפרטורה צובר נוזלים המקומית לניסויים. אם ההמרה בלתי הפיך של אנרגיה מכנית לאנרגיה תרמית הוא זניח, המשוואה שימור אנרגיה מופחתת ל-:

(2)

המונח הראשון של המשוואה (2) מתקבל על ידי טיפול ה אנתלפיה ספציפי להיות קשורה ישירות נוזלים שהטמפרטורה, T, באמצעות החום ספציפי מתמדת, C_p. כמו ההפרעות של צפיפות נוזל הנגרם על ידי הווריאציות של טמפרטורת נוזל בערוץ מסתובב מחוממת מספק השפעה על התנועה של נוזלים בעת מקשר האצת צנטריפטלי במשוואה (1), מהירות נוזלים, שדות הטמפרטורה בערוץ axially מסתובב הם ביחד. גם, קוריוליס והאצות צנטריפטלי להשתנות בעת ובעונה אחת כמו מהירות סיבוב מכוונן. לכן, באופן טבעי יחד את השפעות כוח קוריוליס וסיבוב ציפה על השדות של מהירות נוזלים ואת הטמפרטורה.

משוואות (1), (2) בטפסים שהוא יחשוף מפרמטרי הזרם המפקחים על הסעת חום חום בערוץ מסתובב. עם זרם חום אחיד בעיקרון המוטלות על ערוץ מסתובב, הטמפרטורה המקומית נוזלים בצובר, T_b, מגדילה באופן ליניארי לכיוון streamwise, s, מרמת כניסת הפניה, T_ref. הטמפרטורה המקומית צובר נוזלים נקבע T_ref + τs, איפה τ המילוי ההדרגתי של הטמפרטורה נוזלים בצובר בכיוון של זרימה. החלפות של הפרמטרים שהוא הבאים של:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

לתוך משוואות (1) ו- (2), שבו V_כלומר, N , d בהתאמה מסמלת את הזרימה אכזרי מהירות, מהירות סיבוב, קוטר הידראולי ערוץ, זרימה שהוא תנע ואנרגיה המשוואות נגזרים כמו משוואות (8) ו- (9) בהתאמה.

(8)

(9)

מסתבר η במשוואה (9) היא פונקציה של Re, Ro Bu = Ro²βτdR, אשר בהתאמה מכונים מספרי ריינולדס, סיבוב, ציפה. המספר Rossby מכמתת את היחס בין אינרציאלית כוחות קוריוליס הוא שווה ערך למספר הסיבוב הפוך במשוואה (8).

כאשר T_b מחושב T_ref + τs בערוץ מסתובב כפוף שטף חום אחיד, ניתן להעריך לחלופין הערך τ בתור Q_f/ (mC_pL) באיזה Q _f, m ו- L הם הכוח הולכת חום חימום, קירור המוניים קצב הזרימה ולתקשר אורך, בהתאמה. לפיכך, הטמפרטורה שהוא צובר נוזלים מקומי, η_bשווה ל- s/d והטמפרטורה שהוא ערוץ הקיר, η_w, התשואות [(T_w–T_b ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. עם קצב ההעברה של הולכת חום חום הגדיר Q_f/ (T_w–T_b), ההבדל שהוא קיר-כדי-נוזל טמפרטורה, η_w–η_b, הוא להמרה למספר Nusselt המקומי באמצעות משוואה (10) ב אילו אפי היא הפונקציה שהוא צורה של חימום אזור ואזור המודולרית של ערוץ.

(10)

עם סט של גיאומטריות מראש ועל תנאי גבול hydrodynamic, תרמי, הקבוצות שהוא לשלוט על מספר Nusselt המקומי של ערוץ מסתובב מזוהים:

(11)

(12)

(13)

עם בדיקות ניסויית, ההתאמה של סיבוב מהירות, N, משתנות Ro להפיק את העברת החום נתונים עוצמות שונות של כוחות קוריוליס באופן בלתי נמנע משנה את האצת צנטריפטלי, וכך, הכוח היחסי של סיבוב ציפה. יתר על כן, ערכה של חום העברת נתונים שנאספו מתוך ערוץ מסתובב כפוף תמיד תואר סופיים של סיבוב אפקט ציפה. לחשוף את ההשפעות בודדים של כוח קוריוליס, ציפה על העברת חום הביצועים של ערוץ מסתובב דורש את uncoupling של ההשפעות Ro בועה , על מאפייני Nu על התהליך של עיבוד נתונים פוסט זה הוא כלול בשיטה ניסויית הנוכחי.

ניתן לציין את התנאים זרימה מנוע ומעבדה עבור ערוץ מסתובבת פנימה להב הרוטור טורבינת גז לפי הטווחים של Re, Ro Bu. התנאים מנוע טיפוסי עבור הקירור זורמת דרך להב הרוטור של טורבינת גז, כמו גם הבנייה ואת ההכרזה של המתקן מסתובב מבחן שמותר ניסויים כדי לבצע ליד התנאים מנוע בפועל דווח על ידי מוריס² . איור 1 , בהתאם לתנאים מנוע מציאותי מסוכמים על-ידי מוריס², בונה התנאים ההפעלה מציאותי מבחינת טווחי Re, רו , Bu עבור ערוץ מערכת קירור מסתובבת בלהב הרוטור טורבינת גז. איור 1, הסימן של המצב הגרוע של המנגנון הוא המכונה את המנוע פועל מצב את מהירות הרוטור הגבוהה ביותר ואת היחס הצפיפות הגבוהה ביותר. איור 1, הגבול התחתון ואת מנוע הגרוע ביותר הפועלים תנאים בהתאמה להגיח במהירויות המנוע הגבוהים והנמוכים. . זה קשה מאוד למדוד את התפלגות Nu מלא-השדה של ערוץ מסתובב פועל במהירות מנוע אמיתי בין 5000 ו- 20,000 סל ד… עם זאת, בהתבסס על החוק דמיון, בדיקות מעבדה-סולם נערכו במהירות סיבוב מוקטנת אך עם מספר נסיונות כדי לספק כיסוי מלא של אמת-מנוע Re, רו , Bu הטווחים. בתור שיטה ניסיונית חדשנית, נאס א מארח תוכנית^3,4,5,6 אימצה את הבדיקות בלחץ גבוה בשביל להגדיל את צפיפות נוזל-מראש רי ב כדי להרחיב את טווח Ro על-ידי הפחתת המהירות נוזלים מרושע. בהקשר זה, הקשר ספציפי בין Re, Ro Bu עבור גז אידאלי עם קבוע הגזים, R_c, צמיגות, μ, קשורים כמו:

(14)

(15)

להכניס את תנאי מעבדה הנומינלי ההתכתבות עם מנוע תנאים ראה איור 1, סיבוב מהירות, N, מערכת קירור לחץ, P, ערוץ קוטר הידראולי, d, סיבוב ברדיוס R, ו- הפרש הטמפרטורה קיר-כדי-נוזל, T_w–T_b, צריך להיות מבוקר על התאמת טווחים Re, רו , אבל מציאותי. . בבירור, לאחת הגישות היעילות ביותר כדי להרחיב את טווח Ro היא להגדיל ערוץ קוטר הידראולי, כמו Ro הוא יחסי d². כמו הבדיקה העברת חום מעבדה מציאותי N הוא קשה מאוד, הלחץ נוזל קירור, P, הוא יותר מבחינה טכנית יגודל להארכת טווח Ro ; גם אם Ro הוא רק פרופורציונליים ל- P. על סמך הרקע התיאורטי הזה, פילוסופיית העיצוב של השיטה הניסיונית הנוכחית היא להגדיל Ro מאת מתאים לחץ את הערוץ מבחן מסתובב באמצעות הערוץ המרביים קוטר הידראולי מותר להכניס המתקן מסתובב. יש גדל הטווח Ro , טווח Bu בהתאם מורחב כמו Bu הוא יחסי רו². איור 1, התנאים מבחן מעבדה אימצה כדי ליצור את הנתונים העברת החום של סיבוב ערוצים הם גם כלולים^{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}. כמצוין באיור1, סיקור מנוע מציאותי תנאים על ידי חום זמינים העברת הנתונים הוא עדיין מוגבל, במיוחד עבור הטווח Bu הנדרש. פתח והסימנים בצבע מוצק מתואר באיור 1 הם הניסויים העברת חום מחודדות ותחום מלא, בהתאמה. כפי שנאספו באיור1, רוב החום להעביר נתונים עם יישומים לקירור טורבינת גז הרוטור להבים^{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} הן מדידות באמצעות השיטה צמד תרמי. ההשפעות הולכה קיר על מדידת הקיר מוליך חום שטף ולערער הטמפרטורות-נוזל-קיר ממשקים האיכות של חום העברת נתונים שהומרו מהמדידות צמד תרמי. כמו כן, את החום העברה מדידות^{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} בשיטת צמד תרמי אינו יכול לזהות את הווריאציות העברת חום דו-ממדית על-גבי משטח מסתובב. עם בהווה השיטה הניסיונית^29,30,31,32, הגילוי של הפצות מספר Nusselt מלא-השדה מעל החומה ערוץ מסתובב מותר. צמצום אפקט הולכה קיר באמצעות 0.1 מ מ עבה מפלדת foils במספרים ביו >> 1 כדי ליצור את הכוח חימום על ידי השיטה הניסיונית הנוכחית מתיר את מימדי חום בהולכה של חימום מסכל זרימת נוזל קירור. בפרט, רכישת שדה מלא חום העברת נתונים מעורבים תופעות בועה Ro , אינה מותרת באמצעות הטכניקה גביש נוזלי ארעי ושיטת צמד תרמי. עם הנוכחי גביש נוזלי מצב יציב הדמאה תרמית שיטת¹⁹, הטווח לזיהוי בטמפרטורה של 35-55 מעלות צלזיוס מנטרלת את הדור של חום העבר נתונים עם יחס צפיפות מציאותי.

באמצעות הפרמטרים זרימה המסדירים את הסעת חום חום בערוץ מסתובב כדי להדגים כי כיסוי מלא של תנאי מנוע מציאותי ראה באיור 1 לא עדיין לא הושג, אז צורך לרכוש חום מלא-השדה להעביר נתונים במהירות מנוע מציאותי בתנאי דחק ברציפות. השיטה הניסיונית הנוכחית מאפשרת את הדור של העברת החום מלא-שדה עם כוח קוריוליס וגם סיבוב-ציפה אפקטים זוהה. הפרוטוקולים מכוונים מסייע החוקרים לתכנן אסטרטגיית ניסיוני הרלוונטי למדידה העברת חום מלא-שדה מציאותי של ערוץ מסתובב. יחד עם שיטת ניתוח פרמטרית ייחודית השיטה הניסיונית הנוכחית, הדור של מתאם העברת חום להערכת בתלות מבודדים Ro בועה , ההשפעות על Nu מותר.

המאמר מדגים שיטה ניסויית שמטרתה הפקת הנתונים העברת חום דו-ממדית של ערוץ מסתובב עם זרימה תנאים דומים לתנאים מנוע טורבינת גז מציאותי אבל פועלים במהירויות סיבוב נמוך בהרבה ב מעבדות. השיטה שפותחה כדי לבחור את מהירות סיבוב, הקוטר ההידראולי של מבחן ערוץ על הטווח של הבדלי טמפרטורה קיר-כדי-נוזל לרכישת ותזוזת החום נתונים במהירות מנוע מציאותי תנאים מודגם במבוא. בדיקות הכיול אובדן חום בבדיקות הכיול עבור מערכת הדמאה תרמית אינפרא-אדום, ומוצגים הפעולה של המתקן מסתובב של מבחן העברת החום. גורמי אי הוודאויות משמעותי חום להעביר מדידות וההליכים decoupling קוריוליס-הכוח ואת ההשפעות ציפה על המאפיינים העברת החום של ערוץ מסתובב מתוארים במאמר עם סלקטיבי תוצאות כדי להדגים את השיטה הניסיונית הנוכחית.

Protocol

הערה: הפרטים של סיבוב מתקני בדיקה, חדרי קירור והקפאה, עיבוד נתונים, המודול מבחן העברת חום חיקוי של ערוץ קירור פנימיים להב הרוטור טורבינת גז נמצא שלנו הקודם עבודות29,30,31 ,32. 1. הכנת מבחנים העברת חום לנסח…

Representative Results

תנאי ההפעלה מציאותי זורם נוזל קירור פנימיים בתוך להב טורבינת גז מסתובבת Re, רו , Bu מושווים עם התנאים מעבדה מדומה באיור1. נקודות הנתונים ליפול בתנאים מנוע מציאותי באמצעות השיטה הניסיונית נוכח לסכם את הפרוטוקולים11,14,<sup class="x…

Discussion

בעוד הטמפרטורות endwall של ערוץ מסתובב מזוהים על ידי מערכת הדמאה תרמית אינפרא-אדום, הטמפרטורות נוזלים נמדדים לפי ייעוד שונה. כמו השדה המגנטי חלופית של מנוע AC שמניע מעטה מסתובב המניע בפוטנציאל החשמלי להתערב המדידות צמד תרמי, מנוע DC חייב להיות מאומץ לנהוג מעטה מבחן מסתובב.

התפלג?…

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