Força de Coriolis desacopladas e efeitos de flutuabilidade rotativa em campo-total de calor transferir Propriedades de um canal de rotação

Summary

Aqui, apresentamos um método experimental para dissociar a força de Coriolis interdependente e efeitos de rotação-flutuabilidade em distribuições de transferência de calor de campo integral de um canal de rotação.

Abstract

Propõe-se um método experimental para explorar as características de transferência de calor de um canal axialmente giratório. Os parâmetros de fluxo Directivo que caracterizam os fenômenos de transporte em um canal de rotação são identificados através da análise paramétrica das equações do momentum e energia, referindo-se a um quadro de referência rotativo. Com base nestas equações de fluxo adimensional, uma estratégia experimental que vincula o design do módulo de teste, o programa experimental e a análise dos dados é formulado com a tentativa de revelar a força de Coriolis isolada e efeitos de flutuabilidade no calor performances de transferência. Os efeitos da força de Coriolis e flutuabilidade de giro são ilustrados usando os resultados seletivos medidos de canais com várias geometrias de giro. Enquanto a força de Coriolis e impactos rotativos-flutuabilidade compartilham várias características comuns entre os vários canais rotativos, as assinaturas de transferência de calor única são encontradas em associação com a direção do fluxo, a forma de canal e o arranjo de calor dispositivos de aprimoramento de transferência. Independentemente das configurações de fluxo dos canais rotativos, o método experimental apresentado permite o desenvolvimento de correlações de transferência de calor fisicamente consistentes que permitem a avaliação da força de Coriolis isolada e interdependente e efeitos de rotação-flutuabilidade no calor transferem Propriedades de rotação de canais.

Introduction

Enquanto as leis termodinâmicas ditam o poder específico melhorada e a eficiência térmica de um motor de turbina a gás por elevar a temperatura de entrada da turbina, vários componentes do motor quente, tais como lâminas de turbina, são propensos a danos térmicos. Resfriamento interno de uma lâmina de rotor da turbina de gás permite uma temperatura de entrada da turbina superiores aos limites de temperatura da resistência do material da lâmina fluência. No entanto, as configurações dos canais de refrigeração internos devem respeitar o perfil da lâmina. Em particular, o refrigerante gira dentro da lâmina de rotor. Com tais condições adversas térmicas para uma execução lâmina de rotor de turbina a gás, um esquema de refrigeração de lâmina eficaz é crucial para garantir a integridade da estrutura. Assim, as propriedades de transferência de calor local para um canal de rotação são importantes para o uso eficiente do fluxo de refrigerante limitado disponível. A aquisição de dados de transferência de calor útil que são aplicáveis para o projeto das passagens passagem interna em condições realistas do motor é de primordial importância quando é desenvolvido um método experimental para medir as propriedades de transferência de calor de um simulado de passagem dentro de uma lâmina de rotor da turbina de gás de refrigeração.

Rotação a uma velocidade acima de 10.000 rpm altera consideravelmente o desempenho de refrigeração de um canal de rotação dentro de uma lâmina de rotor de turbina a gás. A identificação das condições do motor para esse canal rotativa é permitida usando a lei de semelhança. Com rotação, os grupos adimensionais que controlam os fenômenos de transporte dentro de um canal radial rotativo podem ser revelados derivando as equações de fluxo em relação a um referencial rotativo. Morris¹ tem derivada da equação de conservação de impulso de fluxo em relação a um referencial rotativo como:

(1)

Na equação (1), a velocidade local do fluido, v̄, com o vector de posição, r̄, em relação a um referencial girando na velocidade angular, ω, é afetado pela aceleração de Coriolis em termos de 2 (ω×v̄), o força de flutuabilidade centrípeta dissociada, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), o gradiente de pressão de piezo-métrica conduzida, e a viscosidade dinâmica fluida, ν. A densidade do fluido referenciada, ρ_ref, é referida uma temperatura de referência pré-definido de fluido T_ref, que é típico da temperatura local em massa fluida para experimentos. Se a conversão irreversível de energia mecânica em energia térmica é negligenciável, a equação de conservação de energia é reduzida para:

(2)

O primeiro termo da equação (2) é obtido por tratamento a entalpia específica para estar diretamente relacionada com a fluido da temperatura local, T, através do calor específico constante, C_p. Como a perturbação da densidade do fluido causada pela variação de temperatura do fluido em um canal rotativa aquecida fornece uma influência considerável sobre o movimento de fluidos quando links com a aceleração centrípeta na equação (1), a velocidade do fluido e campos de temperatura em um canal axialmente giratório são acoplados. Além disso, ambos Coriolis e acelerações centrípetas variam simultaneamente como a velocidade de rotação é ajustada. Assim, os efeitos da força de Coriolis e girando o empuxo sobre os campos de velocidade do fluido e temperatura naturalmente são acoplados.

Equações (1) e (2) nas formas adimensionais divulgar os parâmetros de fluxo que governam a convecção de calor em um canal de rotação. Com um fluxo de calor uniforme basicamente imposto num canal rotativa, a temperatura local em massa fluida, T_b, aumenta linearmente na direção streamwise, s, a partir do nível de entrada de referência, T_ref. A temperatura local em massa fluida é determinada como T_ref + τs, onde τ é o gradiente de temperatura na direção do fluxo de granel líquido. Substituições dos seguintes parâmetros adimensionais de:

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(4)

(5)

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em equações (1) e (2), onde V_dizer, N e d , respectivamente, defende o fluxo médio através da velocidade, velocidade de rotação e diâmetro hidráulico do canal, as equações de impulso e energia de fluxo adimensionais são derivadas como equações (8) e (9) respectivamente.

(8)

(9)

Evidentemente, η na equação (9) é uma função de Ree Ro Bu = Ro²βτdR, que são respectivamente denominados números de Reynolds, rotação e flutuabilidade. O número de Rossby que quantifica a relação entre a inércia e as forças de Coriolis é equivalente ao número de rotação inversa na equação (8).

Quando T_b é calculada como T_ref + τs em um canal rotativo sujeito a um fluxo de calor uniforme, o valor τ pode ser avaliado como alternativa como Q_f/ (mC_pL) no qual Q _f, m e L são o poder de aquecimento convectivo, taxa de fluxo de massa de arrefecimento e canal de comprimento, respectivamente. Assim, a temperatura adimensional em massa fluida local, η_b, é igual a s/d e a temperatura adimensional na parede do canal, η_w, produz [(T_w– bT ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Com a taxa de transferência de calor convectiva definida como Q_f/ (T_w–T_b), a diferença de temperatura de parede-para-líquido adimensional, η_w–η_b, é convertível no número de Nusselt local através da equação (10), no qual ζ é a função de forma adimensional da área e a área de seção transversal do canal de aquecimento.

(10)

Com um conjunto de geometrias predefinidas e as condições de contorno de hidrodinâmicas e térmicas, os grupos adimensionais, controlando o número de Nusselt local de um canal de rotação são identificados como:

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(12)

(13)

Com testes experimentais, o ajuste de velocidade, N, de giro para variados Ro gerar a transferência de calor dados em diferentes intensidades de forças de Coriolis inevitavelmente muda a aceleração centrípeta e, portanto, a força relativa da girando a flutuabilidade. Além disso, um conjunto de dados de transferência de calor coletados de um canal de rotação é sempre sujeitos a um grau finito de girar o efeito de flutuabilidade. Para divulgar os efeitos individuais da força de Coriolis e o empuxo sobre a transferência de calor, desempenho de um canal de rotação requer o desacoplamento dos efeitos Ro e Bu no Nu Propriedades através do procedimento de processamento de dados do post que é inclusivo no presente método experimental.

As condições de fluxo do motor e laboratório para um canal de rotação dentro de uma lâmina de rotor da turbina de gás podem ser especificadas pela indicação dos intervalos de Re, Ro e Bu. As condições típicas do motor para o refrigerante fluem através de uma lâmina de rotor da turbina de gás, bem como a construção e colocação em funcionamento da instalação de teste rotativa que permitia experimentos a ser executada perto as condições reais do motor foi relatada por Morris² . Com base nas condições realistas motor resumidas por Morris², Figura 1 constrói as condições de funcionamento realistas em termos de intervalos de Re, Ro e Bu para um canal de refrigeração rotativa em uma lâmina de rotor de turbina a gás. Na Figura 1, a indicação de pior condição do motor é referida como o motor funcionando a condição com a maior velocidade do rotor e a mais alta taxa de densidade. Na Figura 1, o limite inferior e motor pior condições de funcionamento respectivamente emergem as velocidades de motor mais baixo e mais alto. É extremamente difícil de medir a distribuição de Nu campo integral de um canal rotativa rodando a uma velocidade de motor real entre 5000 e 20.000 rpm. No entanto, com base na lei de semelhança, testes em escala de laboratório foram conduzidos em velocidades de rotação reduzidas, mas com várias tentativas de fornecer uma cobertura completa dos intervalos de Re, Ro e Bu de real-motor. Como um método inovador e experimental, o HOST da NASA programa^3,4,5,6 adoptou os testes de alta pressão para aumentar as densidades de fluido para o predefinidos Re em fim de alargar o leque de Ro , reduzindo a velocidade média do fluido. A este respeito, as relações específicas entre Re, Ro e Bu para um gás ideal, com uma constante dos gases, R,_ce viscosidade, μ, relacionam-se como:

(14)

(15)

Para trazer a correspondência nominal as condições de laboratório, com condições de motor, visto na Figura 1, a velocidade, N, líquido de arrefecimento pressão, P, canal hidráulica diâmetro, dde giro, rotação raio, R, e diferença de temperatura de parede-para-líquido, T_w–T_b, precisa ser controlado para os intervalos de Re, Ro e Bu realistas de correspondência. Claramente, uma das abordagens mais eficazes para aumentar o alcance de Ro é aumentar o diâmetro hidráulico do canal, como Ro é proporcional à d². Como o teste de transferência de calor de laboratório realista N é extremamente difícil, a pressão do líquido de arrefecimento, P, é tecnicamente mais fácil de ser aumentado para estender o alcance de Ro ; mesmo se Ro só é proporcional a P. Baseado neste contexto teórico, a filosofia de design do presente método experimental é aumentar Ro por pressurizando o canal rotativa de teste usando o diâmetro hidráulico do canal máximo permitido para se encaixar o equipamento rotativo. Tendo aumentado a gama de Ro , a gama de Bu é estendida em conformidade como Bu é proporcional à Ro². Na Figura 1, as condições de teste de laboratório adotadas para gerar os dados de transferência de calor de rotação de canais também são incluídos^{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 indicado na Figura 1, a cobertura das condições realistas do motor, os dados de transferência de calor disponível é ainda limitada, especialmente para o intervalo de Bu necessários. A céu aberto e os coloridos símbolos sólidos representados na Figura 1 são os experimentos de transferência de calor aguçado e campo-total, respectivamente. Como coletados na Figura 1, a maioria do calor transferir dados com aplicações de refrigeração de turbina a gás rotor lâminas^{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} são ponto as medições utilizando o método do termopar. Os efeitos de condução de parede em parede condutiva de medição fluxo de calor e as temperaturas em interfaces líquido-parede minam a qualidade dos dados de transferência de calor convertidos a partir das medições de termopar. Além disso, o calor transferência medições^{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} usando o método do termopar não pode detectar as variações de transferência de calor bidimensional sobre uma superfície de rotação. Com o presente método experimental^29,30,31,32, a detecção de distribuições de número Nusselt campo integral por cima do muro rotativa de canal é admissível. Minimização do efeito de condução de parede usando folhas de aço inoxidável espessura 0.1 mm com números de Biot >> 1 para gerar o poder de aquecimento pelo presente método experimental permite a condução de calor unidimensional da folha de aquecimento para o fluxo de refrigerante. Em particular, a aquisição de dados de transferência de calor de campo integral envolvendo efeitos tanto Ro e Bu não é admissível, usando a técnica de transiente de cristal líquido e o método do termopar. Com o atual Termografia do método de cristal líquido de estado estacionário¹⁹, faixa de 35-55 ° C de temperatura detectável desativa a geração de dados de transferência de calor com relações de densidade realista.

Usando os parâmetros de fluxo que regem a convecção de calor em um canal rotativa para demonstrar que a cobertura total das condições realistas do motor, visto na Figura 1 ainda não foi alcançada, então a necessidade de adquirir o calor de campo integral transferir dados em condições realistas motor tem sido continuamente instado. O presente método experimental permite a geração de transferência de calor de campo integral com força de Coriolis e efeitos de rotação-flutuabilidade detectados. Os protocolos visam ajudar os investigadores a conceber uma estratégia experimental relevante para a medição de transferência de calor realista de campo integral de um canal de rotação. Juntamente com o método de análise paramétrica que é exclusivo para o presente método experimental, a geração de correlação de transferência de calor para avaliar os efeitos isolados e interdependentes Ro e Bu na Nu é permitida.

O artigo ilustra um método experimental que visam gerar os dados de transferência de calor bidimensional de um canal de giro com condições de fluxo semelhantes para as condições de motor de turbina a gás realista mas operando em muito baixas velocidades de rotação na laboratórios. O método desenvolvido para selecionar a velocidade de rotação, o diâmetro hidráulico do canal de teste e a gama de diferenças de temperatura de parede-para-líquido para a aquisição de dados em condições de motor realista são ilustrados na introdução a transferência de calor. Os testes de calibração para o sistema de termografia infravermelha, a calibração de perda de calor de testes e a operação do equipamento de teste de transferência de calor rotativo são mostrados. Os fatores que causam as incertezas significativas para calor transferir as medidas e os procedimentos para a dissociação entre a força de Coriolis e efeitos de flutuabilidade, sobre as propriedades de transferência de calor de um canal de rotação são descritos no artigo com o seletivo resultados para demonstrar o presente método experimental.

Protocol

Nota: Os detalhes de rotação de laboratórios, aquisição de dados, processamento de dados e o módulo de teste de transferência de calor emulando um canal interno de resfriamento de uma lâmina de rotor da turbina de gás estão em nossos anteriores trabalhos29,30,31 ,32. 1. preparação dos testes de transferência de calor Formular as condições ex…

Representative Results

Condições de funcionamento realistas para os fluxos de líquido de arrefecimento interno dentro de uma lâmina de turbina a gás rotativa em termos de Re, Ro e Bu são comparadas com as condições de laboratório emulado na Figura 1. Os pontos de dados cair nas condições motor realista usando o método experimental presente resumido em protocolos11,14,17,<s…

Discussion

Enquanto as temperaturas endwall de um canal de rotação são detectadas por um sistema de termografia infravermelha, as temperaturas fluidas são medidas por termopares. Como o campo magnético alternativo de um motor AC que impulsiona um equipamento rotativo induz potenciais elétricos para interferir com as medições de termopar, o motor DC deve ser adoptado para conduzir um ensaio de máquina rotativa.

A distribuição de temperatura do fluido sobre o plano de saída de um canal de aquec…

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