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

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.

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:

(1)

En la ecuación (1), la velocidad local del fluido, v̄, con el vector de posición, r̄, relativa a un marco de referencia rotando a la velocidad angular, ω, es afectada por la aceleración de Coriolis en términos de 2 (ω×v̄), la fuerza de flotabilidad centrípeta desconectada, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), el gradiente de presión piezo-métrico conducido, y la viscosidad dinámica del fluido, ν. La densidad del fluido que se hace referencia, ρ_ref, se refiere a una temperatura de referencia de fluido predefinido T_ref, 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:

(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, C_p. 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, T_b, aumenta linealmente en la dirección CBES, s, desde el nivel de entrada de referencia, T_ref. Depende de la temperatura local a granel líquido como T_ref + 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:

(3)

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(6)

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en las ecuaciones (1) y (2), donde V_significa, 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.

(8)

(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 T_b se calcula como T_ref + τs en un canal rotando sujeto a un flujo de calor uniforme, el valor τ puede evaluarse alternativamente como Q_f/ (mC_pL) 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, η_b, es igual a s/d y la temperatura adimensional en la pared del canal, η_w, rendimiento [(_w–T_b ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Con la tasa de transferencia de calor por convección definida como Q_f/ (T_w–T_b), la diferencia de temperatura de líquido de pared sin dimensiones, η_w–η_b, 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.

(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:

(11)

(12)

(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 programa^3,4,5,6 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, R_cy viscosidad, μ, están relacionados con como:

(14)

(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, T_w–T_b, 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 incluidos^{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}. 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 cuchillas^{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} 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 medidas^{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} el método de termopar no puede detectar las variaciones de la transferencia de calor bidimensional en una superficie giratoria. Con el presente método experimental^29,30,31,32, 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.

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 Formular las …

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,<sup…

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 u…

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