uncouplन कोरिओलिस बल और घूर्णन उछाल प्रभाव पर एक घूर्णन चैनल के पूर्ण क्षेत्र हीट स्थानांतरण गुण

Summary

यहां, हम एक घूर्णन चैनल के पूर्ण क्षेत्र गर्मी हस्तांतरण वितरण पर निर्भर कोरिओलिस-बल और घूर्णन-उछाल प्रभाव युग्मन के लिए एक प्रयोगात्मक विधि प्रस्तुत करते हैं ।

Abstract

एक अक्षीय रूप से घूर्णन चैनल की गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं की खोज के लिए एक प्रायोगिक विधि प्रस्तावित है । एक घूर्णन चैनल में परिवहन घटना की विशेषता है कि शासी प्रवाह मापदंडों के संदर्भ के एक घूर्णन फ्रेम का जिक्र गति और ऊर्जा समीकरणों के पैरामीट्रिक विश्लेषण के माध्यम से पहचाने जाते हैं । इन क्वांटिटी फ्लो समीकरणों के आधार पर, एक प्रायोगिक कार्यनीति जो परीक्षण मॉड्यूल के डिज़ाइन को लिंक करती है, प्रयोगात्मक कार्यक्रम और डेटा विश्लेषण को पृथक कोरिओलिस-बल और ऊष्मा पर उछाल प्रभाव को प्रकट करने के प्रयास से तैयार किया जाता है स्थानांतरण प्रदर्शन । कोरिओलिस बल और घूर्णन उछाल के प्रभाव चयनात्मक विभिंन geometries के साथ चैनलों घूर्णन से मापा परिणाम का उपयोग कर सचित्र हैं । जबकि कोरिओलिस-बल और घूर्णन-उछाल प्रभावों विभिन्न घूर्णन चैनलों के बीच कई आम सुविधाओं का हिस्सा है, अद्वितीय गर्मी हस्तांतरण हस्ताक्षर प्रवाह दिशा के साथ सहयोग में पाए जाते हैं, चैनल आकार और गर्मी की व्यवस्था स्थानांतरण वृद्धि उपकरणों । घूर्णन चैनलों के प्रवाह विंयास की परवाह किए बिना, प्रस्तुत प्रयोगात्मक विधि शारीरिक रूप से लगातार गर्मी हस्तांतरण सहसंबंध है कि अलग और परस्पर निर्भर कोरिओलिस के मूल्यांकन की अनुमति के विकास को सक्षम बनाता है-बल और घूर्णन-घूर्णन चैनलों की गर्मी हस्तांतरण गुणों पर उछाल प्रभाव ।

Introduction

जबकि ऊष्मा कानूनों में सुधार विशिष्ट बिजली और टरबाइन प्रवेश तापमान तरक्की से एक गैस टरबाइन इंजन के थर्मल दक्षता हुक्म, कई गर्म इंजन घटकों, टरबाइन ब्लेड के रूप में, थर्मल नुकसान से ग्रस्त हैं । एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के आंतरिक ठंडा ब्लेड सामग्री के रेंगने प्रतिरोध के तापमान सीमा से अधिक में एक टरबाइन प्रविष्टि तापमान परमिट । हालांकि, आंतरिक कूलिंग चैनल के विंयास ब्लेड प्रोफ़ाइल के साथ पालन करना चाहिए । विशेष रूप से, शीतलक रोटर ब्लेड के भीतर घूमता है । एक चल गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के लिए इस तरह के कठोर थर्मल शर्तों के साथ, एक प्रभावी ब्लेड शीतलक योजना संरचना की अखंडता को सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है । इस प्रकार, एक घूर्णन चैनल के लिए स्थानीय गर्मी हस्तांतरण संपत्तियों उपलब्ध सीमित शीतलक प्रवाह के कुशल उपयोग के लिए महत्वपूर्ण हैं । उपयोगी गर्मी हस्तांतरण डेटा है कि यथार्थवादी इंजन की स्थिति में आंतरिक शीतलक मार्ग के डिजाइन के लिए लागू कर रहे है के अधिग्रहण प्राथमिक महत्व का है जब एक प्रयोगात्मक विधि एक के हीट ट्रांसफर संपत्तियों को मापने के लिए विकसित की है एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के अंदर नकली शीतलन बीतने ।

१०,००० rpm के ऊपर एक गति से रोटेशन काफी एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के अंदर एक घूर्णन चैनल के शीतलन प्रदर्शन बदल । इस तरह के एक घूर्णन चैनल के लिए इंजन की स्थिति की पहचान समानता कानून का उपयोग स्वीकार्य है । रोटेशन के साथ, एक रेडियल घूर्णन चैनल के अंदर परिवहन घटना को नियंत्रित करने वाले क्वांटिटी समूह संदर्भ के घूर्णन फ्रेम के सापेक्ष प्रवाह समीकरणों को प्राप्त करके पता किया जा सकता है । मॉरिस¹ के रूप में संदर्भ के एक घूर्णन फ्रेम के सापेक्ष प्रवाह के गति संरक्षण समीकरण व्युत्पंन है:

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समीकरण में (1), स्थानीय द्रव वेग, v̄, स्थिति वेक्टर के साथ, r̄, कोणीय वेग पर घूर्णन संदर्भ के एक फ्रेम के सापेक्ष, ω, 2 के संदर्भ में कोरिओलिस त्वरण से प्रभावित है (ω×v̄), युगल गड़बडिय़ों उछाल बल, β(टीटी_{रेफरी}) (ω×ω×r̄), संचालित पीजो-मीट्रिक दबाव ढाल, , और द्रव गतिशील चिपचिपापन, ν। संदर्भित द्रव घनत्व, दर्षाया_{रेफरी}, एक पूर्व परिभाषित द्रव संदर्भ तापमान टी_{रेफरी}, जो प्रयोगों के लिए स्थानीय द्रव थोक तापमान की खासियत है निर्दिष्ट किया जाता है । यदि तापीय ऊर्जा में यांत्रिक ऊर्जा के अपरिवर्तनीय रूपांतरण नगण्य है, ऊर्जा संरक्षण समीकरण के लिए कम है:

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समीकरण की पहली अवधि (2) विशिष्ट तापीय धारिता के इलाज के द्वारा प्राप्त की है सीधे स्थानीय द्रव तापमान से संबंधित हो, टी, लगातार विशिष्ट गर्मी के माध्यम से, सी_पी। द्रव तापमान की भिन्नता के कारण एक गर्म घूर्णन चैनल में तरल पदार्थ के गड़बड़ी के रूप में तरल पदार्थ की गति पर काफी प्रभाव प्रदान करता है जब यह समीकरण में गड़बडिय़ों त्वरण के साथ लिंक (1), द्रव वेग और एक अक्षीय रूप से घूर्णन चैनल में तापमान क्षेत्रों युग्मित कर रहे हैं । इसके अलावा, दोनों कोरिओलिस और गड़बडिय़ों त्वरण एक साथ बदलती है के रूप में घूर्णन गति समायोजित है । इस प्रकार, द्रव वेग और तापमान के क्षेत्रों पर कोरिओलिस बल और घूर्णन उछाल के प्रभाव स्वाभाविक रूप से युग्मित कर रहे हैं ।

समीकरणों (1) और (2) में क्वांटिटी रूपों एक घूर्णन चैनल में गर्मी संवहन को नियंत्रित कि प्रवाह मापदंडों का खुलासा. एक मूल रूप से एक समान गर्मी एक घूर्णन चैनल पर लगाया प्रवाह के साथ, स्थानीय द्रव थोक तापमान, टी_बी, streamwise दिशा में रैखिक बढ़ जाती है, संदर्भ प्रवेश स्तर से, एस, टी_{रेफरी}। स्थानीय द्रव थोक तापमान टी_{रेफरी} + τs, जहां τ प्रवाह की दिशा में द्रव थोक तापमान के ढाल है के रूप में निर्धारित किया जाता है । निंन क्वांटिटी पैरामीटर के प्रतिस्थापन:

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समीकरणों में (1) और (2), जहां वी_मीन, एन और डी क्रमशः वेग के माध्यम से मतलब प्रवाह के लिए खड़े हैं, घूर्णन वेग और हाइड्रोलिक व्यास चैनल, क्वांटिटी फ्लो गति और ऊर्जा समीकरणों के रूप में प्राप्त कर रहे है समीकरण (8) और (9) क्रमशः ।

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जाहिर है, समीकरण में η (9) पुनः, ro, और बु = ro²βτdR, जो क्रमशः रेनॉल्ड्स, रोटेशन और उछाल संख्या के रूप में निर्दिष्ट कर रहे है एक समारोह है । inertial और कोरिओलिस बलों के बीच अनुपात quantifies Rossby संख्या समीकरण (8) में व्युत्क्रम घुमाव संख्या के समकक्ष है ।

जब t_b t _ref + τs के रूप में एक घूर्णन चैनल में एक समान ताप प्रवाह के अधीन परिकलित की जाती है, तो τ मान को वैकल्पिक रूप से q_f/(mC_pL) के रूप में मूल्यांकित किया जा सकता है जिसमें q _एफ, एम और एल संवहनी हीटिंग पावर, शीतलक जन प्रवाह दर और चैनल लंबाई, क्रमशः कर रहे हैं । इस प्रकार, क्वांटिटी स्थानीय द्रव थोक तापमान, η_बी, s/डी के बराबर है और चैनल वाल पर क्वांटिटी तापमान, η_w, पैदावार [(टी_{डब्ल्यू}टी_बी )/Q_f] [mC_p] [L/d] +s/ के साथ संवहनी ताप अंतरण दर Q_f/(t_w–t_b) के रूप में परिभाषित, क्वांटिटी वाल-द्रव तापमान अंतर, η_w–η_b, समीकरण के माध्यम से स्थानीय Nusselt संख्या में परिवर्तनीय (10) जिसमें ζ हीटिंग क्षेत्र और चैनल अनुभागीय क्षेत्र के क्वांटिटी आकृति समारोह है ।

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पूर्वनिर्धारित geometries और hydrodynamic और थर्मल सीमा शर्तों का एक सेट के साथ, एक घूर्णन चैनल के स्थानीय Nusselt संख्या को नियंत्रित करने वाले आयाम समूहों के रूप में पहचाने जाते हैं:

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प्रयोगात्मक परीक्षणों के साथ, घूर्णन गति का समायोजन, एन, अलग आरओ के लिए कोरिओलिस बलों के विभिन्न शक्तियों में गर्मी हस्तांतरण डेटा उत्पन्न अनिवार्य रूप से गड़बडिय़ों त्वरण परिवर्तन, और इस प्रकार, के सापेक्ष शक्ति उछाल घूर्णन । इसके अलावा, एक घूर्णन चैनल से एकत्र गर्मी हस्तांतरण डेटा का एक सेट हमेशा उछाल प्रभाव घूर्णन की एक परिमित डिग्री के अधीन है । एक घूर्णन चैनल के गर्मी हस्तांतरण के प्रदर्शन पर बल और उछाल कोरिओलिस के व्यक्तिगत प्रभावों का खुलासा करने के लिए पोस्ट डाटा प्रोसेसिंग प्रक्रिया के माध्यम से परमाणु संपत्तियों पर आरओ और बु प्रभाव के uncouplन की आवश्यकता है कि वर्तमान प्रयोगात्मक पद्धति में समावेशी है ।

इंजन और एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के अंदर एक घूर्णन चैनल के लिए प्रयोगशाला प्रवाह की स्थिति फिरसे, आरओ और बुकी पर्वतमाला द्वारा निर्दिष्ट किया जा सकता है । एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के माध्यम से शीतलक प्रवाह के लिए ठेठ इंजन शर्तों, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से निर्माण और घूर्णन परीक्षण सुविधा है कि प्रयोग की अनुमति के लिए वास्तविक इंजन की स्थिति के पास प्रदर्शन किया जा रहा द्वारा रिपोर्ट मॉरिस 2 द्वारा सूचित किया गया था . ²मॉरिस द्वारा संक्षेप यथार्थवादी इंजन शर्तों के आधार पर, चित्रा 1 एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड में एक घूर्णन शीतलक चैनल के लिए पुनः, आरओ और बु पर्वतमाला के संदर्भ में यथार्थवादी ऑपरेटिंग शर्तों का निर्माण । चित्रा 1में, एक इंजन की सबसे खराब हालत के संकेत उच्चतम रोटर गति और उच्चतम घनत्व अनुपात में इंजन चल हालत के रूप में जाना जाता है । 1 चित्रामें, कम सीमा और सबसे खराब इंजन ऑपरेटिंग शर्तों क्रमशः सबसे कम और उच्चतम इंजन की गति पर उभर रहे हैं । यह ५००० और २०,००० rpm के बीच एक वास्तविक इंजन की गति से चल रहे एक घूर्णन चैनल के पूर्ण क्षेत्र परमाणु वितरण को मापने के लिए बहुत मुश्किल है । हालांकि, समानता कानून के आधार पर, प्रयोगशाला पैमाने पर परीक्षण कम घूर्णन गति पर आयोजित किया गया है, लेकिन कई के लिए वास्तविक इंजन फिरसे, आरओ और बु पर्वतमाला की एक पूरी कवरेज प्रदान करने के प्रयास के साथ । एक अभिनव प्रयोगात्मक विधि के रूप में, नासा के मेजबान कार्यक्रम^3,4,5,6 में पूर्वनिर्धारित पुनः में द्रव घनत्व बढ़ाने के लिए उच्च दबाव परीक्षणों को अपनाया मतलब द्रव वेग को कम करके आरओ रेंज का विस्तार करने का आदेश । इस संबंध में, एक गैस स्थिर, आर_सी, और चिपचिपापन, μके साथ एक आदर्श गैस के लिए फिरसे, आरओ और बु के बीच विशिष्ट संबंधों के रूप में संबंधित हैं:

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1 चित्रामें देखा इंजन शर्तों के साथ नाममात्र पत्राचार में प्रयोगशाला की स्थिति लाने के लिए, घूर्णन गति, एन, शीतलक दबाव, पी, चैनल हाइड्रोलिक व्यास, डी, त्रिज्या घूर्णन, आर, और दीवार से द्रव तापमान अंतर, टी_{डब्ल्यू}टी_बी, यथार्थवादी पुनः, आरओ और बु पर्वतमाला मिलान के लिए नियंत्रित करने की आवश्यकता है । स्पष्ट रूप से, आरओ रेंज का विस्तार करने के लिए सबसे प्रभावी दृष्टिकोण में से एक के रूप में आरओ डी²के लिए आनुपातिक है, चैनल हाइड्रोलिक व्यास बढ़ाने के लिए है । यथार्थवादी N पर प्रयोगशाला गर्मी हस्तांतरण परीक्षण के रूप में बहुत मुश्किल है, शीतलक दबाव, पी, तकनीकी रूप से आसान है आरओ रेंज का विस्तार करने के लिए उठाया जा करने के लिए; भले ही आरओ केवल आनुपातिक रूप से पीरहे हों । इस सैद्धांतिक पृष्ठभूमि के आधार पर, वर्तमान प्रयोगात्मक विधि के डिजाइन दर्शन के लिए घूर्णन रिग में फिट करने के लिए अनुमति दी अधिकतम चैनल हाइड्रोलिक व्यास का उपयोग कर घूर्णन परीक्षण चैनल ज़ोर द्वारा Ro वृद्धि हुई है । आरओ रेंज बढ़ रही है, बु की सीमा तदनुसार के रूप में बढ़ाया है बु ² आरओके लिए आनुपातिक है । चित्रा 1में, प्रयोगशाला परीक्षण घूर्णन चैनलों के हीट ट्रांसफर डेटा उत्पन्न करने के लिए अपनाया शर्तों भी शामिल हैं^{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}. के रूप में चित्रा 1में संकेत दिया, उपलब्ध गर्मी हस्तांतरण डेटा द्वारा यथार्थवादी इंजन शर्तों के कवरेज अभी भी सीमित है, विशेष रूप से आवश्यक बु रेंज के लिए । खुले और रंगीन ठोस प्रतीकों 1 चित्रा में दर्शाया गया है और क्रमशः पूर्ण क्षेत्र गर्मी हस्तांतरण प्रयोगों, कर रहे हैं । चित्र 1में एकत्र के रूप में, गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के लिए ठंडा अनुप्रयोगों के साथ गर्मी हस्तांतरण डेटा के अधिकांश^{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} बिंदु माप thermocouple विधि का उपयोग कर रहे हैं । दीवार प्रवाहकीय गर्मी प्रवाह को मापने और द्रव में तापमान पर दीवार आचरण प्रभाव-दीवार इंटरफेस गर्मी हस्तांतरण thermocouple माप से परिवर्तित डेटा की गुणवत्ता को कमजोर । इसके अलावा, गर्मी हस्तांतरण माप^{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} thermocouple विधि का उपयोग कर एक घूर्णन सतह पर दो आयामी गर्मी हस्तांतरण रूपांतरों का पता लगाने नहीं कर सकते । वर्तमान प्रायोगिक विधि^29,30,^31,३२के साथ, घूर्णन चैनल की दीवार पर पूर्ण क्षेत्र Nusselt संख्या वितरण का पता लगाने की अनुमति है । Biot संख्या के साथ ०.१ mm मोटी स्टेनलेस स्टील पन्नी का उपयोग कर दीवार आचरण प्रभाव की ंयूनतम > > 1 वर्तमान प्रयोगात्मक विधि द्वारा हीटिंग पावर उत्पन्न करने के लिए एक हीटिंग पंनी से शीतलक प्रवाह के लिए आयामी गर्मी आचरण परमिट । विशेष रूप से, पूर्ण क्षेत्र गर्मी हस्तांतरण दोनों आरओ और बु प्रभाव शामिल डेटा के अधिग्रहण के क्षणिक तरल क्रिस्टल तकनीक और thermocouple विधि का उपयोग स्वीकार्य नहीं है । वर्तमान स्थिर-राज्य लिक्विड क्रिस्टल थर्मोग्राफी विधि¹⁹के साथ, 35-55 ° c का पता लगाने योग्य तापमान रेंज यथार्थवादी घनत्व अनुपात के साथ गर्मी हस्तांतरण डेटा की पीढ़ी को अक्षम कर ।

एक घूर्णन चैनल में गर्मी संवहन गवर्निंग प्रवाह मापदंडों का उपयोग करने के लिए प्रदर्शित करता है कि यथार्थवादी इंजन 1 चित्रा में देखा शर्तों के पूर्ण कवरेज अभी तक प्राप्त नहीं किया गया है, तो पूर्ण क्षेत्र में गर्मी हस्तांतरण डेटा प्राप्त करने के लिए की आवश्यकता यथार्थवादी इंजन की स्थिति लगातार आग्रह किया गया है । वर्तमान प्रयोगात्मक विधि दोनों कोरिओलिस-बल और घूर्णन-उछाल प्रभाव का पता चला के साथ पूर्ण क्षेत्र गर्मी हस्तांतरण की पीढ़ी को सक्षम बनाता है । प्रोटोकॉल जांचकर्ताओं की सहायता करने के लिए एक प्रायोगिक रणनीति एक घूर्णन चैनल के यथार्थवादी पूर्ण क्षेत्र गर्मी हस्तांतरण माप के लिए प्रासंगिक वसीयत के उद्देश्य से कर रहे हैं । पैरामीट्रिक विश्लेषण की विधि है कि वर्तमान प्रयोगात्मक पद्धति के लिए अद्वितीय है के साथ साथ, अलग और परस्पर निर्भर आरओ और परमाणु पर बु प्रभाव का आकलन करने के लिए गर्मी हस्तांतरण सहसंबंध की पीढ़ी की अनुमति दी है ।

लेख एक प्रयोगात्मक प्रवाह यथार्थवादी गैस टरबाइन इंजन की स्थिति के समान परिस्थितियों के साथ एक घूर्णन चैनल के दो आयामी गर्मी हस्तांतरण डेटा पैदा करने के उद्देश्य से विधि दिखाता है, लेकिन में बहुत कम घूर्णन गति पर काम प्रयोगशालाओं. विधि घूर्णन गति का चयन करने के लिए विकसित, परीक्षण चैनल के हाइड्रोलिक व्यास और यथार्थवादी इंजन की स्थिति में गर्मी हस्तांतरण डेटा प्राप्त करने के लिए दीवार से द्रव तापमान मतभेदों की सीमा परिचय में सचित्र है । अवरक्त थर्मोग्राफी प्रणाली, गर्मी नुकसान अंशांकन परीक्षण और घूर्णन गर्मी हस्तांतरण परीक्षण रिग के संचालन के लिए अंशांकन परीक्षण दिखाया गया है । गर्मी हस्तांतरण माप के लिए महत्वपूर्ण अनिश्चितताओं और कोरिओलिस के युग्मन के लिए प्रक्रियाओं-बल और एक घूर्णन चैनल के हीट ट्रांसफर गुणों पर उछाल प्रभाव के कारण कारकों चयनात्मक के साथ लेख में वर्णित हैं परिणाम वर्तमान प्रयोगात्मक विधि प्रदर्शित करने के लिए ।

Protocol

नोट: परीक्षण सुविधाओं घूर्णन का विवरण, डेटा अधिग्रहण, डेटा प्रोसेसिंग और गर्मी हस्तांतरण परीक्षण मॉड्यूल एक गैस टरबाइन रोटर ब्लेड के एक आंतरिक कूलिंग चैनल की नकल हमारे पिछले काम में है29,<sup…

Representative Results

पुनः, आरओ और बु के संदर्भ में एक घूर्णन गैस टरबाइन ब्लेड के अंदर आंतरिक शीतलक प्रवाह के लिए यथार्थवादी ऑपरेटिंग शर्तों 1 चित्रामें अनुकरणीय प्रयोगशाला की स्थिति के साथ तुलना कर रह…

Discussion

जबकि एक घूर्णन चैनल के endwall तापमान एक अवरक्त थर्मोग्राफी प्रणाली द्वारा पता चला रहे हैं, द्रव तापमान thermocouples द्वारा मापा जाता है । एक एसी मोटर के वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र के रूप में है कि ड्राइव एक घूर्णन र?…

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