Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

Shyy Woei Chang; Wei-Ling Cai; Hong-Da Shen; Kuo-Ching Yu

doi:10.3791/57630

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Расцепления сила Кориолиса и вращающейся плавучести эффекты на полный поле тепла передача свойств вращающегося канала

Published: October 05, 2018

doi:

10.3791/57630

Shyy Woei Chang, Wei-Ling Cai, Hong-Da Shen, Kuo-Ching Yu

¹Department of System and Naval Mechatronic Engineering,National Cheng Kung University

Summary

Здесь мы представляем экспериментальный метод для разделения взаимозависимые силы Кориолиса и вращающихся плавучести эффекты на дистрибутивах передачи тепла полный поле вращающейся канала.

Abstract

Предлагается экспериментальный метод для изучения характеристики теплопередачи осевого вращения канала. Управляющих параметров потока, которые характеризуют явления переноса в вращающейся канала определяются через Параметрический анализ уравнений импульса и энергии, ссылаясь на вращающийся круг ведения. На основании этих безразмерные потока уравнений, экспериментальный стратегию, которая связывает дизайн тестовый модуль, экспериментальной программы и анализ данных формулируется с попыткой выявить изолированы силы Кориолиса и плавучесть эффекты на тепло перевод выступлений. Воздействие силы Кориолиса и вращающихся плавучести проиллюстрированы с помощью селективного результаты измерений от вращающихся каналов с различных геометрий. Хотя силы Кориолиса и воздействия вращающихся плавучести несколько есть общие черты среди различных каналов, вращающиеся, уникальный тепловой передачи подписи находятся в ассоциации с направление потока, форма канала и расположение тепла передачи устройства расширения. Независимо от потока конфигураций вращающихся каналов, представленных экспериментальный метод позволяет развитие передачи корреляции в физически согласованном тепла, позволяющие оценки изолированных и взаимозависимые силы Кориолиса и вращения плавучесть эффекты на тепло передачи свойства вращающихся каналы.

Introduction

В то время как термодинамические законы диктуют повышение удельной мощности и тепловой эффективности газотурбинного двигателя путем повышения температуры вход турбины, несколько горячий двигатель компоненты, такие как турбинных лопаток, подвержены термического повреждения. Внутреннее охлаждение лезвия ротора газовой турбины позволяет запись температуры турбины превышении пределов температуры сопротивление ползучести материала клинка. Однако конфигураций внутренних каналов охлаждения должны соответствовать профиль лезвия. В частности охлаждающей жидкости вращается в пределах лезвия ротора. С таких суровых тепловой условия для работы газовой турбины лопасти схемы охлаждения эффективной лезвие имеет решающее значение для обеспечения целостности структуры. Таким образом свойства передачи местных тепла для вращающихся канала имеют важное значение для эффективного использования ограниченных охлаждающей жидкости потока. На приобретение полезных тепло передачи данных, применимых к данной конструкции внутренних СОЖ на условиях реалистичные двигатель имеет первостепенное значение при экспериментальный метод разработан для измерения свойств передачи тепла смоделированные охлаждения прохода внутри лезвия ротора газовой турбины.

Вращение со скоростью выше 10000 об/мин значительно изменяет эффективность охлаждения вращающихся канала внутри лезвия ротора газовой турбины. Идентификация двигателя условий для такой вращающейся канал допустимо, используя закон подобия. С вращением безразмерные группы, которые управляют явлений переноса внутри радиально вращающейся канал могут быть выявлены путем наследования потока уравнений по сравнению с вращающейся основой. Моррис¹ вывел уравнения сохранения импульса потока по отношению к вращающихся рамки как:

(1)

В уравнение (1), местной скорости жидкости, v̄, с радиус-вектором, r̄, относительно рамки, вращающихся на угловой скорости ω, подвержена ускорение Кориолиса с точки зрения 2 (ω×v̄), отделенный центростремительный плавучести силы, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), градиент давления ведомый пьезо метрика, и динамическая вязкость жидкости, ν. Ссылки жидкости плотность, ρ_ref, называется предварительно определенные жидкости эталонной температуре T_ref, который является типичным местных жидкости объемной температуры для экспериментов. Если необратимое преобразование механической энергии в тепловую энергию является незначительным, уравнение сохранения энергии уменьшается до:

(2)

Первый срок уравнения (2) получается, рассматривая конкретные энтальпии напрямую связаны с местной температура жидкости, T, через постоянной удельной теплоемкости, C_p. Как возмущений плотность жидкости, вызванные вариации температура жидкости в подогревом вращающейся канал обеспечивает значительное влияние на движение жидкости, когда он связывает с Центростремительное ускорение в уравнении (1), скорость жидкости и температурных полей в осевом направлении вращающийся канале связаны. Кроме того Кориолиса и центростремительные ускорения изменяются одновременно как скорость вращения регулируется. Таким образом воздействие силы Кориолиса и вращающихся плавучести на полях жидкости скорости и температуры естественно соединены.

Уравнения (1) и (2) в безразмерной форме раскрывать параметров потока, которые регулируют тепловой конвекции в вращающейся канале. С в основном единообразных теплового потока, введенные на вращающейся канал, местные жидкости объемной температуры T_b, увеличивается линейно, в streamwise направлении, s, от опорного уровня впуска, T_ref. Местные жидкости объемная температура определяется как T_ссылка + τs, где τ — градиент температуры жидкости оптом в направлении потока. Замены на следующие безразмерные параметры:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

в уравнения (1) и (2) где V_{означает}, N и d соответственно стенд для среднего потока через скорость, скорость вращения и гидравлический диаметр канала, безразмерная потока импульса и энергии уравнений, определяются как уравнения (8) и (9) соответственно.

(8)

(9)

Очевидно, η в уравнении (9) является функцией Re, Roи Bu = Ro²βτdR, которые называются соответственно чисел Рейнольдса, вращение и плавучесть. Число Россби, количественное соотношение между инерционного и силы Кориолиса эквивалентно числу обратное вращение в уравнение (8).

Когда T_b вычисляется как T_ссылка + τs в вращающейся канала при условии единого теплового потока, τ значение может обрабатываться в качестве альтернативы, как Q_f/ (mC_pL) в котором Q _f, m и L являются мощности конвективного нагрева охлаждающей жидкости Массовая скорость потока и канал длиной, соответственно. Таким образом безразмерная местных жидкости объемная температура, η_b, равным s/d и безразмерных температура на канале стены, η_w, дает [(T_w– bТ ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Со скоростью передачи теплоотдачи, определяется, как Q_f/ (T_w–T_b), безразмерная стены жидкость температура разница, η_w–η_b, конвертируемых в местной числа Нуссельта через уравнения (10), в котором ζ безразмерной форме функция нагрева площадь и площадь сечения канала.

(10)

С набором предопределенных геометрических фигур и гидродинамические и тепловые граничных условий безразмерная группами, контролирующими местные числа Нуссельта вращающейся канала определяются как:

(11)

(12)

(13)

С экспериментальных испытаний, регулировка скорости, N, вращения для различной Ro для создания передачи тепла в различной силы Кориолиса сил неизбежно изменения данных Центростремительное ускорение и таким образом, относительной силы Вращающиеся плавучести. Кроме того, набор тепловой передачи данных, собранных из вращающейся канала всегда подлежит конечной степени вращающихся плавучести эффект. Раскрывать индивидуального воздействия силы Кориолиса и плавучесть на передачу тепла производительность вращающегося канала требует расцеплять Ro и Бу воздействия на Nu свойства через post процедуры обработки данных, включен в нынешний экспериментальный метод.

Двигатель и лабораторных условий потока для вращающихся канала внутри лезвия ротора газовой турбины могут быть указаны по диапазонам Re, Ro и Бу. Типичный двигатель условия для охлаждающей жидкости проходят через лопасти газовых турбин, а также строительство и ввод в эксплуатацию вращающихся полигона, который позволил эксперименты выполняться рядом условий фактической двигателя было сообщено Моррис². Основываясь на условиях реалистичные двигателя, кратко Моррис², рис. 1 создает реалистичные условий эксплуатации с точки зрения Re, Ро и Бу диапазоны вращающейся охлаждающей жидкости в канале лезвия ротора газовой турбины. На рисунке 1проявление худших состояния двигателя называется двигатель работает на высокой скорости ротора и высокий коэффициент плотности условие. На рисунке 1нижний предел и худших двигателя, условий эксплуатации соответственно возникают на двигатель низких и высоких скоростях. Это чрезвычайно трудно измерить распределение Nu полный поле вращающегося канала со скоростью реальный двигатель между 5000 и 20 000 об/мин. Однако основанное на законе подобия, лабораторных тестов были проведены на снижение скорости вращающейся, но с несколько попыток, чтобы обеспечить полный охват реального двигатель Re, Ро и Бу диапазонов. Как новаторский экспериментальный метод,⁵^,⁴^,³^,программы НАСА пребывания⁶ принял высокого давления испытания для увеличения плотности жидкости в предопределенных Re в чтобы расширить диапазон Ro путем уменьшения средней скорости жидкости. В этой связи конкретные отношения между Re, Ро и Бу для идеального газа с вязкость, μ, газовая постоянная и R_cсвязаны как:

(14)

(15)

Для приведения лабораторных условиях в номинальный переписку с видно из рис. 1, вращая скорость, N, охлаждающей жидкости давление, P, канал гидравлический диаметр, d, вращающихся радиуса R, условия работы двигателя и разница температур стены жидкости, T_w–T_b, необходимо контролировать для сопоставления реалистичные диапазоны Re, Ro и Бу . Очевидно одним из наиболее эффективных подходов для расширения диапазона Ro является увеличение гидравлический диаметр канала, как Ro пропорциональна d². Как тест передачи тепла лаборатории в реалистичные N чрезвычайно трудно, давление СОЖ, P, технически проще быть подняты для расширения диапазона Ро ; даже если Ro пропорциональна только P. Основываясь на этом фоне теоретической, философия дизайна нынешнего экспериментального метода является увеличение Ro путем герметизации вращающихся тест канала с помощью максимальная канал гидравлический диаметр, разрешено вписываются в вращающейся буровой установки. Увеличив ассортимент Ro , Бу соответственно расширить спектр как Бу пропорциональна Ро². На рисунке 1условия теста лаборатории, принятой для генерации тепла передачи данных вращающихся каналы являются также включены³^,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. как указано на рисунке 1, охват реалистичные двигатель условий передачи данных имеющихся тепла по-прежнему ограничены, особенно для требуемого диапазона Бу . Открыть и цветные твердых символы, изображенные на рисунке 1 являются острыми и полный поле тепло передачи эксперименты, соответственно. Как собираются на рисунке 1, большая часть тепла передачи данных с систем охлаждения газовых турбин ротора лопасти¹^,²^,³^,⁴^,⁵^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵ ^, ²⁶ являются точкой измерения, с помощью метода термопары. Эффекты теплопроводности стены на стену проводящего измерения тепла потока и температуры жидкости стена интерфейсы подорвать качество данных передачи тепла, преобразованные из измерения термопары. Кроме того, тепловой передачи измерения¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^, ⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵ ^, ²⁶ с помощью метода термопара не может обнаружить вариации передачи двумерных тепла над вращающейся поверхности. С нынешнего экспериментального метода²⁹^,^,³⁰³¹^,³²обнаружение полный поле Нуссельта число распределений на вращающихся стене канала является допустимым. Минимизация стены проводимости эффекта с помощью 0,1 мм толщиной пленки из нержавеющей стали с числами Биот >> 1 для создания мощности нагрева, нынешний экспериментальный метод позволяет одномерный тепловой проводимости от фольга для потока охлаждающей жидкости. В частности приобретение полного поля тепла передачи данных с участием Ро и Бу эффекты не допускается с использованием метода переходных жидких кристаллов и метод термопары. С текущей термография установившегося жидкий кристалл метод¹⁹обнаруживаемая температурный диапазон 35-55 ° C отключает создание тепла передачи данных с реалистичные плотность соотношения.

Используя параметры потока, регулирующие тепловой конвекции в вращающейся канале продемонстрировать, что полный охват условия реалистичные двигателя, показан на рисунке 1 пока не достигнуто, поэтому необходимость приобретения полный поле тепло передачи данных на реалистичные двигатель условия призвал непрерывно. Нынешний экспериментальный метод позволяет создавать полный поле теплопередачи с силы Кориолиса и вращающихся плавучести эффекты обнаружено. Протоколы направлены на оказание помощи следователям разработать экспериментальный стратегию отношение к реалистичные полный поле тепло передачи измерение вращающейся канала. Наряду с метод параметрического анализа, который является уникальным для нынешнего экспериментального метода разрешается поколения корреляции передачи тепла для оценки изолированных и взаимозависимыми Ro и Бу воздействия на Nu .

Статья иллюстрирует экспериментальный метод, направленных на генерации передачи данных двумерной тепла вращающейся канала с потока условия аналогичны условиям реалистичные газотурбинного двигателя, но на гораздо более низких скоростях вращения в лаборатории. Метод, разработанный для выбора скорости вращения, гидравлический диаметр канала теста и диапазон разницы температур стены жидкости для приобретения передачи тепла, которое данных в условиях реалистичные двигатель иллюстрируется в введении. Калибровочных испытаний для системы инфракрасная термография, калибровка потери тепла тесты и показываются операции вращающейся испытательном стенде передачи тепла. Факторы, вызывающие значительные неопределенности для тепловой передачи измерения и процедуры разделения силы Кориолиса и плавучесть влияние на свойства передачи тепла вращающейся канала описаны в статье с выборочной результаты продемонстрировать нынешнего экспериментального метода.

Protocol

Примечание: Детали вращающихся испытательное оборудование, сбора данных, обработки данных и передачи тепла тестовый модуль эмуляции канал внутреннего охлаждения газовых турбин лопасти находятся в наших предыдущих работ29,30,31 ,<s…

Representative Results

Реалистичные условий эксплуатации для внутреннего охлаждения потоков внутри вращающегося ножа газовых турбин с точки зрения Re, Ро и Бу сравниваются с эмулируемой лабораторных условиях на рисунке 1. Точки данных попадают в условиях реалистичные двигател?…

Discussion

В то время как торцевая температуры вращающегося канала обнаруживаются системой инфракрасной термографии, жидкости температура измеряются термопары. Как альтернативный магнитное поле двигатель переменного тока, что диски вращающейся буровой индуцирует электрический потенциал вме?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Настоящее научно-исследовательской работы финансово авторами министерства науки и технологий Тайваня по гранту НСК 94-2611-E-022-001, НСК 95-2221-E-022-018, НСК 96-2221-E-022-015MY3 и 97-2221-E-022-013-MY3 НСК.

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

References

Morris, W. D. . Heat transfer and fluid flow in rotating coolant channels. , ISBN 0471101214 (1981).
Morris, W. D. A rotating facility to study heat transfer in the cooling passage of turbine rotor blades. Journal of Power and Energy. 210 (1), 55-63 (1996).
Wagner, J. H., Johnson, B. V., Graziani, R. A., Yeh, F. C. Heat transfer in rotating passages with smooth walls and radially outward flow. ASME Journal of Turbomachinery. 113 (1), 42-51 (1991).
Wagner, J. H., Johnson, B. V., Kopper, F. C. Heat transfer in rotating serpentine passages with smooth walls. ASME Journal of Turbomachinery. 113 (3), 321-330 (1991).
Wagner, J. H., Johnson, B. V., Steuber, G. D., Yeh, F. C. Heat transfer in rotating serpentine passages with trips normal to the flow. ASME Journal of Turbomachinery. 114 (4), 847-857 (1992).
Johnson, B. V., Wagner, J. H., Steuber, G. D., Yeh, F. C. Heat transfer in rotating serpentine passages with selected model orientations for smooth or skewed trip walls. ASME Journal of Turbomachinery. 116 (4), 738-744 (1992).
Hwang, G. J., Tzeng, S. C., Mao, C. P., Soong, C. Y. Heat transfer in a radially rotating four-pass serpentine channel with staggered half-v rib turbulators. ASME Journal of Heat Transfer. 123 (1), 39-50 (2001).
Azad, G. S., Uddin, M. J., Han, J. C., Moon, H. K., Glezer, B. Heat transfer in a two-pass rectangular rotating channel with 45-deg angled rib turbulators. ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 251-259 (2002).
Griffith, T. S., Al-Hadhrami, L., Han, J. C. Heat transfer in rotating rectangular cooling channels (AR=4) with angled ribs. ASME Journal of Heat Transfer. 124 (4), 617-625 (2002).
Al-Hadhrami, L., Griffith, T. S., Han, J. C. Heat transfer in two-pass rotating rectangular channels (AR=2) with five different orientations of 45 deg V-shaped rib turbulators. ASME Journal of Heat Transfer. 125 (2), 232-242 (2003).
Chang, S. W., Liou, T. M., Hung, J. H., Yeh, W. H. Heat transfer in a radially rotating square-sectioned duct with two opposite walls roughened by 45 deg staggered ribs at high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 129 (2), 188-199 (2007).
Zhou, F., Lagrone, J., Acharya, S. Internal cooling in 4:1 AR passages at high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 129 (12), 1666-1675 (2007).
Liu, Y. H., Huh, M., Han, J. C., Chopra, S. Heat transfer in a two-pass rectangular channel (AR=1:4) under high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 130 (8), (2008).
Chang, S. W., Liou, T. M., Chiou, S. F., Chang, S. F. Heat transfer in high-speed rotating trapezoidal duct with rib-roughened surfaces and air bleeds from the wall on the apical side. ASME Journal of Heat Transfer. 130 (6), (2008).
Wright, L. M., Liu, Y. H., Han, J. C., Chopra, S. Heat transfer in trailing edge, wedge-shaped cooling channels under high rotation numbers. ASME Journal of Heat Transfer. 130 (7), 1-11 (2008).
Liou, T. M., Chen, M. Y., Tsai, M. H. Fluid flow and heat transfer in a rotating two-pass square duct with in-line 90-deg ribs. ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 260-268 (2002).
Chang, S. W., Liou, T. M., Yang, T. L., Hong, G. F. Heat transfer in radially rotating pin-fin channel at high rotation numbers. ASME Journal of Turbomachinery. 132 (2), (2010).
Rallabandi, A., Lei, J., Han, J. C., Azad, S., Lee, C. P. Heat transfer measurements in rotating blade-shape serpentine coolant passage with ribbed walls at high Reynolds numbers. ASME Journal of Turbomachinery. 136 (9), (2014).
Mayo, I., Arts, T., Ahmed, E. H., Parres, B. Two-dimensional heat transfer distribution of a rotating ribbed channel at different Reynolds numbers. ASME Journal of Turbomachinery. 137 (3), (2015).
Chang, S. W., Yang, T. L., Liou, T. M., Fang, H. G. Heat transfer in rotating scale-roughened trapezoidal duct at high rotation numbers. Applied Thermal Engineering. 29 (8), 1682-1693 (2009).
Liou, T. M., Chang, S. W., Chen, J. S., Yang, T. L., Lan, Y. A. Influence of channel aspect ratio on heat transfer in rotating rectangular ducts with skewed ribs at high rotation numbers. International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (23), 5309-5322 (2009).
Huh, M., Liu, Y. H., Han, J. C. Effect of rib height on heat transfer in a two pass rectangular channel (AR = 1:4) with a sharp entrance at high rotation numbers. International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (19), 4635-4649 (2009).
Xu, G., Li, Y., Deng, H. Effect of rib spacing on heat transfer and friction in a rotating two-pass square channel with asymmetrical 90-deg rib turbulators. Applied Thermal Engineering. 80 (5), 386-395 (2015).
Tao, Z., Yang, M., Deng, H., Li, H., Tian, S. Heat transfer study in a rotating ribbed two-pass channel with engine-similar cross section at high rotation number. Applied Thermal Engineering. 106 (5), 681-696 (2016).
Li, Y., Deng, H., Tao, Z., Xu, G., Chen, Y. Heat transfer characteristics in a rotating trailing edge internal cooling channel with two coolant inlets. International Journal of Heat Mass Transfer. 105 (2), 220-229 (2017).
Deng, H., Chen, Y., Tao, Z., Li, Y., Qiu, L. Heat transfer in a two-inlet rotating rectangular channel with side-wall fluid extraction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 105 (2), 525-534 (2017).
You, R., Li, H., Tao, Z., Wei, K. Heat transfer investigation in a smooth rotating channel with thermography liquid crystal. ASME Turbo Expo. GT2016-56413, Turbomachinery Technical Conference and Exposition: Heat Transfer. 5 (B), V05BT16A006 1~10 (2016).
Morris, W. D., Chang, S. W. An experimental study of heat transfer in a simulated turbine blade cooling passage. International Journal of Heat Mass Transfer. 40 (15), 3703-3716 (1997).
Chang, S. W., Liou, T. -. M., Po, Y. Coriolis and rotating buoyancy effect on detailed heat transfer distributions in a two-pass square channel roughened by 45° ribs at high rotation numbers. International Journal of Heat Mass Transfer. 53 (7), 1349-1363 (2010).
Wang, W. J. . Heat transfer in rotating twin-pass trapezoidal-sectioned passage with two opposite walls roughened by 45 degree ribs. , (2006).
Chang, S. W., Wu, P. -. S., Chen, C. -. S., Weng, C. -. C., Jiang, Y. -. R., Shih, S. -. H. Thermal performance of radially rotating two-pass S-shaped zig-zag channel. International Journal of Heat and Mass Transfer. 115 (B), 1011-1031 (2017).
Chang, S. W., Lees, A. W., Liou, T. -. M., Hong, G. F. Heat transfer of a radially rotating furrowed channel with two opposite skewed sinusoidal wavy walls. International Journal of Thermal Sciences. 49 (5), 769-785 (2010).
Chang, S. W., Liou, T. -. M., Lee, T. -. H. Heat transfer of a rotating rectangular channel with a diamond-shaped pin-fin array at high rotation numbers. Journal of Turbomachinery Transactions of the ASME. 135 (4), (2013).
Morris, W. D., Chang, S. W. Heat transfer in a radially rotating smooth-walled tube. The Aeronautical Journal. 102 (1015), 277-285 (1998).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Chang, S. W., Cai, W., Shen, H., Yu, K. Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel. J. Vis. Exp. (140), e57630, doi:10.3791/57630 (2018).