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

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.

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:

(1)

Nell’equazione (1), la velocità del fluido locale, v̄, con il vettore posizione, r̄, rispetto a un quadro di riferimento rotanti a velocità angolare, ω, risente l’accelerazione di Coriolis in termini di 2 (ω×v̄), il forza di galleggiabilità centripeta disaccoppiati, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), il gradiente di pressione piezo-metrica, e la viscosità dinamica del fluido, ν. La densità del fluido riferimento, ρ_ref, è riferita ad una temperatura di riferimento pre-definito fluido T_ref, 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:

(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, C_p. 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, T_b, aumenta linearmente in direzione longitudinale, s, dal livello di ingresso di riferimento, T_Rif. La temperatura locale massa fluida è determinata come T_ref + τs, dove τ è il gradiente della temperatura fluido alla rinfusa in direzione del flusso. Sostituzioni dei seguenti parametri adimensionali di:

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nell’equazioni (1) e (2), dove V_significa, 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.

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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 T_b è calcolato come T_ref + τs in un canale rotante soggette a un flusso di calore uniforme, il valore τ può essere valutato in alternativa come Q_f/ (mC_pL) 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, η_b, è pari a s/d e la temperatura adimensionale alla parete del canale, η_w, produce [(T_w– bT ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Con la velocità di trasferimento di calore convettivo definita come Q_f/ (T_w–T_b), la differenza di temperatura di parete-a-fluido adimensionale, η_w–η_b, 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.

(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:

(11)

(12)

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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 programma^3,4,5,6 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, R_ce viscosità, μ, sono correlate come:

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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, T_w–T_b, 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 inclusa^{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}. 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 lame^{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} 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 misure^{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} utilizzando il metodo di termocoppia non riesce a rilevare le variazioni di trasferimento di calore bidimensionale sopra una superficie rotante. Con il presente metodo sperimentale^29,30,31,32, 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.

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 Formulare le condizioni sperimental…

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,…

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 uscit…

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