Name: uncoupling coriolis force and rotating buoyancy effects on full-field heat transfer properties of a rotating channel
Uploaded: 2018-10-05T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel at JoVE.com

Den nuvarande forskningsarbetet sponsrades ekonomiskt av ministeriet för vetenskap och teknik i Taiwan under bidraget NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 och NSC 97-2221-E-022-013-MY3.

Obs: Detaljer av roterande testanläggningar, datainsamling, databearbetning och värme överföring testmodulen efterlikna en inre kylkanal för en gasturbin rotorblad är i våra tidigare arbeten29,30,31 ,32.
1. beredning av värme överföring tester
<ol><li>Formulera de experimentella villkor vad gäller Re, Ro och Bu från riktade d...

<ol>
	<li>Morris, W. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Heat transfer and fluid flow in rotating coolant channels. , ISBN 0471101214 (1981).</li><li>Morris, W. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+rotating+facility+to+study+heat+transfer+in+the+cooling+passage+of+turbine+rotor+blades.">A rotating facility to study heat transfer in the cooling passage of turbine rotor blades.</a> Journal of Power and Energy. 210 (1), 55-63 (1996).</li><li>Wagner, J. H., Johnson, B. V., Graziani, R. A., Yeh, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+rotating+passages+with+smooth+walls+and+radially+outward+flow.">Heat transfer in rotating passages with smooth walls and radially outward flow.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 113 (1), 42-51 (1991).</li><li>Wagner, J. H., Johnson, B. V., Kopper, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+rotating+serpentine+passages+with+smooth+walls.">Heat transfer in rotating serpentine passages with smooth walls.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 113 (3), 321-330 (1991).</li><li>Wagner, J. H., Johnson, B. V., Steuber, G. D., Yeh, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+rotating+serpentine+passages+with+trips+normal+to+the+flow.">Heat transfer in rotating serpentine passages with trips normal to the flow.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 114 (4), 847-857 (1992).</li><li>Johnson, B. V., Wagner, J. H., Steuber, G. D., Yeh, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+rotating+serpentine+passages+with+selected+model+orientations+for+smooth+or+skewed+trip+walls.">Heat transfer in rotating serpentine passages with selected model orientations for smooth or skewed trip walls.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 116 (4), 738-744 (1992).</li><li>Hwang, G. J., Tzeng, S. C., Mao, C. P., Soong, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+a+radially+rotating+four-pass+serpentine+channel+with+staggered+half-v+rib+turbulators.">Heat transfer in a radially rotating four-pass serpentine channel with staggered half-v rib turbulators.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 123 (1), 39-50 (2001).</li><li>Azad, G. S., Uddin, M. J., Han, J. C., Moon, H. K., Glezer, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+a+two-pass+rectangular+rotating+channel+with+45-deg+angled+rib+turbulators.">Heat transfer in a two-pass rectangular rotating channel with 45-deg angled rib turbulators.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 251-259 (2002).</li><li>Griffith, T. S., Al-Hadhrami, L., Han, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+rotating+rectangular+cooling+channels+(AR=4)+with+angled+ribs.">Heat transfer in rotating rectangular cooling channels (AR=4) with angled ribs.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 124 (4), 617-625 (2002).</li><li>Al-Hadhrami, L., Griffith, T. S., Han, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+two-pass+rotating+rectangular+channels+(AR=2)+with+five+different+orientations+of+45+deg+V-shaped+rib+turbulators.">Heat transfer in two-pass rotating rectangular channels (AR=2) with five different orientations of 45 deg V-shaped rib turbulators.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 125 (2), 232-242 (2003).</li><li>Chang, S. W., Liou, T. M., Hung, J. H., Yeh, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+a+radially+rotating+square-sectioned+duct+with+two+opposite+walls+roughened+by+45+deg+staggered+ribs+at+high+rotation+numbers.">Heat transfer in a radially rotating square-sectioned duct with two opposite walls roughened by 45 deg staggered ribs at high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 129 (2), 188-199 (2007).</li><li>Zhou, F., Lagrone, J., Acharya, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Internal+cooling+in+4:1+AR+passages+at+high+rotation+numbers.">Internal cooling in 4:1 AR passages at high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 129 (12), 1666-1675 (2007).</li><li>Liu, Y. H., Huh, M., Han, J. C., Chopra, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+a+two-pass+rectangular+channel+(AR=1:4)+under+high+rotation+numbers.">Heat transfer in a two-pass rectangular channel (AR=1:4) under high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 130 (8), (2008).</li><li>Chang, S. W., Liou, T. M., Chiou, S. F., Chang, S. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+high-speed+rotating+trapezoidal+duct+with+rib-roughened+surfaces+and+air+bleeds+from+the+wall+on+the+apical+side.">Heat transfer in high-speed rotating trapezoidal duct with rib-roughened surfaces and air bleeds from the wall on the apical side.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 130 (6), (2008).</li><li>Wright, L. M., Liu, Y. H., Han, J. C., Chopra, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+trailing+edge,+wedge-shaped+cooling+channels+under+high+rotation+numbers.">Heat transfer in trailing edge, wedge-shaped cooling channels under high rotation numbers.</a> ASME Journal of Heat Transfer. 130 (7), 1-11 (2008).</li><li>Liou, T. M., Chen, M. Y., Tsai, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+flow+and+heat+transfer+in+a+rotating+two-pass+square+duct+with+in-line+90-deg+ribs.">Fluid flow and heat transfer in a rotating two-pass square duct with in-line 90-deg ribs.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 124 (2), 260-268 (2002).</li><li>Chang, S. W., Liou, T. M., Yang, T. L., Hong, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+radially+rotating+pin-fin+channel+at+high+rotation+numbers.">Heat transfer in radially rotating pin-fin channel at high rotation numbers.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 132 (2), (2010).</li><li>Rallabandi, A., Lei, J., Han, J. C., Azad, S., Lee, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+measurements+in+rotating+blade-shape+serpentine+coolant+passage+with+ribbed+walls+at+high+Reynolds+numbers.">Heat transfer measurements in rotating blade-shape serpentine coolant passage with ribbed walls at high Reynolds numbers.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 136 (9), (2014).</li><li>Mayo, I., Arts, T., Ahmed, E. H., Parres, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+heat+transfer+distribution+of+a+rotating+ribbed+channel+at+different+Reynolds+numbers.">Two-dimensional heat transfer distribution of a rotating ribbed channel at different Reynolds numbers.</a> ASME Journal of Turbomachinery. 137 (3), (2015).</li><li>Chang, S. W., Yang, T. L., Liou, T. M., Fang, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+rotating+scale-roughened+trapezoidal+duct+at+high+rotation+numbers.">Heat transfer in rotating scale-roughened trapezoidal duct at high rotation numbers.</a> Applied Thermal Engineering. 29 (8), 1682-1693 (2009).</li><li>Liou, T. M., Chang, S. W., Chen, J. S., Yang, T. L., Lan, Y. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+channel+aspect+ratio+on+heat+transfer+in+rotating+rectangular+ducts+with+skewed+ribs+at+high+rotation+numbers.">Influence of channel aspect ratio on heat transfer in rotating rectangular ducts with skewed ribs at high rotation numbers.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (23), 5309-5322 (2009).</li><li>Huh, M., Liu, Y. H., Han, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+rib+height+on+heat+transfer+in+a+two+pass+rectangular+channel+(AR+=+1:4)+with+a+sharp+entrance+at+high+rotation+numbers.">Effect of rib height on heat transfer in a two pass rectangular channel (AR = 1:4) with a sharp entrance at high rotation numbers.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 52 (19), 4635-4649 (2009).</li><li>Xu, G., Li, Y., Deng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+rib+spacing+on+heat+transfer+and+friction+in+a+rotating+two-pass+square+channel+with+asymmetrical+90-deg+rib+turbulators.">Effect of rib spacing on heat transfer and friction in a rotating two-pass square channel with asymmetrical 90-deg rib turbulators.</a> Applied Thermal Engineering. 80 (5), 386-395 (2015).</li><li>Tao, Z., Yang, M., Deng, H., Li, H., Tian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+study+in+a+rotating+ribbed+two-pass+channel+with+engine-similar+cross+section+at+high+rotation+number.">Heat transfer study in a rotating ribbed two-pass channel with engine-similar cross section at high rotation number.</a> Applied Thermal Engineering. 106 (5), 681-696 (2016).</li><li>Li, Y., Deng, H., Tao, Z., Xu, G., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+characteristics+in+a+rotating+trailing+edge+internal+cooling+channel+with+two+coolant+inlets.">Heat transfer characteristics in a rotating trailing edge internal cooling channel with two coolant inlets.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 105 (2), 220-229 (2017).</li><li>Deng, H., Chen, Y., Tao, Z., Li, Y., Qiu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+a+two-inlet+rotating+rectangular+channel+with+side-wall+fluid+extraction.">Heat transfer in a two-inlet rotating rectangular channel with side-wall fluid extraction.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 105 (2), 525-534 (2017).</li><li>You, R., Li, H., Tao, Z., Wei, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+investigation+in+a+smooth+rotating+channel+with+thermography+liquid+crystal.">Heat transfer investigation in a smooth rotating channel with thermography liquid crystal.</a> ASME Turbo Expo. GT2016-56413, Turbomachinery Technical Conference and Exposition: Heat Transfer. 5 (B), V05BT16A006 1~10 (2016).</li><li>Morris, W. D., Chang, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+experimental+study+of+heat+transfer+in+a+simulated+turbine+blade+cooling+passage.">An experimental study of heat transfer in a simulated turbine blade cooling passage.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 40 (15), 3703-3716 (1997).</li><li>Chang, S. W., Liou, T. -. M., Po, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coriolis+and+rotating+buoyancy+effect+on+detailed+heat+transfer+distributions+in+a+two-pass+square+channel+roughened+by+45&#176;+ribs+at+high+rotation+numbers.">Coriolis and rotating buoyancy effect on detailed heat transfer distributions in a two-pass square channel roughened by 45&#176; ribs at high rotation numbers.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 53 (7), 1349-1363 (2010).</li><li>Wang, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Heat transfer in rotating twin-pass trapezoidal-sectioned passage with two opposite walls roughened by 45 degree ribs. , (2006).</li><li>Chang, S. W., Wu, P. -. S., Chen, C. -. S., Weng, C. -. C., Jiang, Y. -. R., Shih, S. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+performance+of+radially+rotating+two-pass+S-shaped+zig-zag+channel.">Thermal performance of radially rotating two-pass S-shaped zig-zag channel.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 115 (B), 1011-1031 (2017).</li><li>Chang, S. W., Lees, A. W., Liou, T. -. M., Hong, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+of+a+radially+rotating+furrowed+channel+with+two+opposite+skewed+sinusoidal+wavy+walls.">Heat transfer of a radially rotating furrowed channel with two opposite skewed sinusoidal wavy walls.</a> International Journal of Thermal Sciences. 49 (5), 769-785 (2010).</li><li>Chang, S. W., Liou, T. -. M., Lee, T. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+of+a+rotating+rectangular+channel+with+a+diamond-shaped+pin-fin+array+at+high+rotation+numbers.">Heat transfer of a rotating rectangular channel with a diamond-shaped pin-fin array at high rotation numbers.</a> Journal of Turbomachinery Transactions of the ASME. 135 (4), (2013).</li><li>Morris, W. D., Chang, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+a+radially+rotating+smooth-walled+tube.">Heat transfer in a radially rotating smooth-walled tube.</a> The Aeronautical Journal. 102 (1015), 277-285 (1998).</li></ol>

Medan kortväggen temperaturerna av en roterande kanal upptäcks genom ett system för infraröd Termografi, mäts de flytande temperaturerna av termoelement. Som alternativa magnetfältet av en AC-motor som driver en roterande rigg inducerar elektriska potential att störa termoelement mätningarna, måste DC-motor antas för att driva en roterande testrigg.
Vätsketemperatur fördelningen över exit planet av en uppvärmd kanal är inte enhetlig. Minst fem termoelement på befintliga planet ...

Medan termodynamiska lagar diktera förbättrad särskilda makt och termiska verkningsgraden hos en gas turbinmotor genom att upphöja turbin posten temperaturen, är flera heta motordelar, såsom turbinblad, benägna att termisk skada. Inre kylning av en gasturbin rotorblad tillåter en turbin posten temperatur överstiger gränsvärdena för yttertemperatur av krypning motståndet av blade material. Konfigurationer av de interna kylning kanalerna måste dock följa bladprofilen. I synnerhet roterar kylvätskan inom rotorblad. Sådana hårda termiska förhållanden för en löpande gasturbin rotorblad är en effektiv bladet kylning system avgörande för att säkerställa strukturens integritet. Således, lokal värme överföring egenskaper för en roterande kanal är viktigt för effektiv användning av de begränsade skärvätskeflödet tillgängliga. Förvärvet av nyttiggjord värme överföra data som gäller för utformningen av invändig skärvätsketillförsel passagerna på realistisk motor villkor är av primär betydelse när en experimentell metod är utvecklad för att mäta värme överföring egenskaperna för en simulerade kylning passagen släpper en gasturbin rotorblad.
Rotation med en hastighet över 10 000 rpm förändrar betydligt kyla prestanda för en roterande kanal inuti en gasturbin rotorblad. Identifiering av motorn villkoren för sådan roterande kanal är tillåtet med likheten lagen. Med rotation, kan dimensionslös grupperna som styr Transportfenomen inuti en radiellt roterande kanal avslöjas genom flödet ekvationer i förhållande till en roterande referensram. Morris1 har härleds ekvationen momentum bevarande av flöde i förhållande till en roterande referensram som:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq1.jpg">(1)
I ekvation (1), lokala vätska hastighet, v̄, med position vektorn, r̄, i förhållande till en referensram som roterar med den vinkelformig hastigheten, ω, påverkas av Coriolis accelerationen i form av 2 (ω×v̄), den frikopplade centripetal flytkraft kraft, β(T-Tref) (ω×ω×r̄), drivna piezo-metric tryckgradienten, <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq16.jpg"> </img>, och den flytande dynamisk viskositeten, ν. Refererade vätska densiteten ρref, kallas en fördefinierade vätska referenstemperatur Tref, som är typisk för den lokala flytande bulk temperaturen för experiment. Om oåterkalleliga omvandling av mekanisk energi till värmeenergi är försumbar, reduceras energi bevarande ekvationen till:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq2.jpg">(2)
Den första termen i ekvation (2) erhålls genom att behandla specifika entalpin vara direkt relaterade till den lokala vätska temperaturen, T, via den konstant specifik värmen, Cp. Eftersom störning av fluid densitet orsakas av variationen av vätsketemperatur i en uppvärmd roterande kanal ger betydande inflytande på rörelse i vätskor när den länkar med centripetal acceleration i ekvation (1), flytande hastigheten och temperatur fält i ett axiellt roterande kanal är sammankopplade. Också, både Coriolis och centripetal accelerationer variera samtidigt som den roterande hastigheten justeras. Därmed effekterna av Coriolis kraft och roterande flytkraft på fälten av vätska hastighet och temperatur naturligt kopplas ihop.
Ekvationer (1) och (2) i formulären dimensionslös avslöja flödesparametrarna som styr den värme konvektion i en roterande kanal. Med en i princip enhetlig värmeflödet som ålagts en roterande kanal, lokala flytande bulk temperaturen, Tb, ökar linjärt i streamwise riktning, s, från inlopp referensnivån, Tref. Den lokala flytande bulk temperaturen bestäms som Tref + τs, där τ är lutningen av flytande bulk temperaturen i flödesriktningen. Substitutioner av följande dimensionslösa parametrar:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq3.jpg">(3)
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq4.jpg">(4)
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq5.jpg">(5)
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq6.jpg">(6)
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq7.jpg">(7)
i ekvationerna (1) och (2), var Vmenar, N och d respektive står för det genomsnittliga flödet genom velocity, roterande velocity och kanal hydraulisk diameter, dimensionslöst flöde rörelsemängd och energi ekvationer härleds som ekvationer (8) och (9) respektive.
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq8.jpg">(8)
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq9.jpg">(9)
Uppenbarligen, η i ekvation (9) är en funktion av Re, Rooch Bu = Ro2βτdR, som kallas respektive Reynolds, rotation och flytkraft nummer. Rossby numret som kvantifierar förhållandet mellan stötvis och Coriolis styrkor motsvarar antalet omvänd rotation i ekvation (8).
När Tb beräknas som Tref + τs i en roterande kanal omfattas av en enhetlig värmeflödet, τ värdet alternativt kan utvärderas som Qf/ (mCpL) i vilken Q f, m och L är Konvektiv värme makten, kylvätska samlas flöde och kanal längd, respektive. Således, dimensionslös lokala flytande bulk temperaturen, ηb, är lika med s/d och dimensionslös temperaturen vid kanal vägg, ηw, avkastningen [(Tw-Tb ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Med Konvektiv värme överföringshastigheten definieras som Qf/ (Tw-Tb), dimensionslös vägg-till-vätska temperatur skillnaden är ηw-ηb, omvandlas till den lokala Nusselt nummer via ekvation (10) i vilken ζ är dimensionslös form funktion värme och kanal sectional område.
<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq10.jpg">(10)
Med en uppsättning fördefinierade geometrier och de hydrodynamiska och termisk randvillkor identifieras de dimensionslösa grupper som kontrollerar lokala Nusselt antalet en roterande kanal som:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq11.jpg">(11)
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq12.jpg">(12)
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq13.jpg">(13)
Med experimentella tester, justering av rotationshastighet, N, för varierande Ro att generera värmeöverföring dataförändringar vid olika styrkor av Coriolis styrkor oundvikligen centripetal acceleration, och därmed den relativa styrkan i roterande flytkraft. Dessutom en uppsättning värme överföra data insamlade från en roterande kanal är alltid en begränsad grad av roterande flytkraft effekt. För att avslöja enskilda effekterna av Coriolis-kraften och flytkraft på värmeöverföringen prestanda på en roterande kanal kräver losskopplingen Ro och Bu effekter på Nu egenskaper genom det inlägg databehandling förfarandet som är inclusive i denna experimentella metod.
Motor och laboratorium villkorar flödet för en roterande kanal inuti en gasturbin rotorblad kan anges av spänner av Re, Ro och Bu. Typiska motor villkoren för kylvätskan flöda genom en gasturbin rotorblad, samt konstruktion och driftsättning av roterande testanläggning som tillät experiment kan utföras nära de faktiska motorförhållandena rapporterades av Morris2 . Baserat på realistiska motorn villkoren sammanfattas av Morris2, konstruerar figur 1 de realistiska driftsförhållandena när det gäller Re, Ro och Bu spänner för en roterande kylvätska kanal i en gasturbin rotorblad. I figur 1benämns indikeringen av motorns värsta tillstånd motorn igång skick på högsta rotorns varvtal och högst densitet i förhållande. I figur 1, den nedre gränsen och värsta driftsförhållanden respektive dyka upp vid de lägsta och högsta varvtal. Det är mycket svårt att mäta full-fältet Nu distribution av en roterande kanal som kör på en riktig varvtalet mellan 5000 och 20.000 rpm. Men baserat på likheten lagen, laboratorieskala tester har utförts på minskad rotationshastigheter men med flera försök att ge en fullständig täckning av real-motorn Re, Ro och Bu spänner. Som en innovativ experimentell metod antog NASA värd program3,4,5,6 högtrycks testerna för att öka den flytande täthet på den fördefinierade Re i för att förlänga intervallet Ro genom att minska den genomsnittliga vätska hastigheten. I detta avseende är de särskilda relationerna mellan Re, Ro och Bu för en ideal gas med en gas konstant, Rcoch viskositet, μ, släkt som:
<img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq14.jpg">(14)
<img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/57630/57630eq15.jpg">(15)
Att förhållandena i laboratoriet nominella korrespondens med med motorn villkor ses i figur 1, den roterande hastighet, N, kylvätska trycket, P, kanal hydraulisk diameter, d, roterande radie, R, och vägg-till-fluid temperaturskillnaden, Tw-Tb, behöver kontrolleras för matchning realistiska Re, Ro och Bu spänner. Tydligt, är en av de mest effektiva metoderna att utvidga de Ro att öka kanal hydraulisk diameter, som Ro är proportionell mot d2. Laboratoriet värme överföring testet på realistiska N är extremt svårt, är kylvätska trycket, P, tekniskt enklare att höjas för utvidga Ro sortiment; även om Ro bara är proportionell mot P. Utifrån denna teoretiska bakgrund, är metoden för närvarande experimentell designfilosofi att öka Ro av tryckförvaring den roterande test kanal med högsta hydrauliska diametern tillåtet att passa in i den roterande riggen. Efter att ha ökat Ro spänna, förlängs spänna av Bu med detta som Bu är proportionell mot Ro2. I figur 1är förhållandena i laboratoriet-test antas för att generera värme överföring data roterande kanaler också inkluderade3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. som anges i figur 1, täckningen av realistisk motor villkor av tillgänglig värme överföring data är fortfarande begränsad, särskilt för intervallet krävs Bu . Öppen och de färgade fasta symboler som avbildas i figur 1 är spetsiga och full-fältet värme överföring experimenten, respektive. Som samlas i figur 1, överföra de flesta av värmen data med kylande applikationer till gasturbin rotorn blad1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 är punkt mätningar med metoden termoelement. Vägg överledning effekterna på mäta väggen ledande värme flux och temperaturen på vätska-vägg gränssnitt undergräver kvaliteten på värme överföra data konverteras från termoelement mätningarna. Också, värme överföring mätningar1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 använda metoden termoelement kan inte identifiera de tvådimensionella värme överföring variationerna över en roterande yta. Med det nuvarande experimentella metod29,30,31,32är detektion av full-fältet Nusselt nummer distributioner över roterande kanal muren tillåtet. Minimering av väggen överledning effekt med 0,1 mm tjocka rostfria folier med Biot nummer >> 1 att generera värme strömmen genom denna experimentella metod tillåter den endimensionella värmeledning från värme folien till av skärvätskeflödet. I synnerhet är förvärvet av full-fältet värme överföra data som involverar både Ro och Bu effekter inte tillåtet med den övergående flytande kristall-tekniken och metoden termoelement. Med den nuvarande steady state flytande kristall Termografi metod19inaktiverar detekterbart temperaturintervallet 35-55 ° c generering av värme överföra data med realistiska densitet nyckeltal.
Med flödesparametrar styr den värme konvektion i en roterande kanal för att demonstrera att full täckning av realistisk motor villkor sett i figur 1 inte har ännu har uppnåtts, så behovet av förvärva full-fältet värmen överföra data på realistisk motor villkor har uppmanats kontinuerligt. Den nuvarande experimentell metoden möjliggör generering av full-området värmeöverföring med både Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter upptäckts. Protokoll som syftar till att hjälpa utredarna att utforma en experimentell strategi som är relevanta för realistiska full-fältet värme överföring mätning av en roterande kanal. Tillsammans med metoden för parametrisk analys som är unik för den nuvarande experimentell metoden, är generationen av värme överföring korrelation för bedömningen isolerad och beroende av Ro och Bu effekter på Nu tillåten.
Artikeln illustrerar en experimentell metod som syftar till att generera tvådimensionell värme överföring data av en roterande kanal med flödesförhållanden liknar de realistiska gasturbin motorförhållandena men använder mycket lägre roterande hastighet i den laboratorier. Den metod som utvecklats för att välja roterande hastigheten, hydrauliska diametern på test kanal och spänna av vägg-till-vätska temperaturskillnader för att förvärva värmeöverföringen data på realistiska motorförhållandena illustreras i inledningen. Kalibreringstesten för infraröd Termografi system, värme förlust kalibreringen tester och driften av den roterande värme överföring testriggen visas. De faktorer som orsakar betydande osäkerheten för värme överföra mätningar och förfarandena för frikoppling Coriolis-kraften och flytkraft effekterna av en roterande kanal värme överföring egenskaper beskrivs i artikeln med den selektiva resultat att visa den nuvarande experimentell metoden.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Rotating test rig</td>
			<td>In-house made</td>
			<td></td>
			<td>Design by this research group</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heat transfer test module</td>
			<td>In-house made</td>
			<td></td>
			<td>Design by this research group</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass flow meter</td>
			<td>Eldride Product, Inc.</td>
			<td>3100301-01-01 
			359-1007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared thermography system</td>
			<td>NEC P384A-8</td>
			<td>3100401-04 
			3127A-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instrumentation slip ring</td>
			<td>Michigan Scientific SR36M</td>
			<td>3100506-62 
			3553-372</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

uncoupling coriolis force and rotating buoyancy effects on full-field heat transfer properties of a rotating channel

En experimentell metod för att utforska värme överföring egenskaper en axiellt roterande kanal föreslås. De styrande flödesparametrar som karakteriserar Transportfenomen i en roterande kanal identifieras via parametrisk analys av rörelsemängd och energi ekvationer hänvisar till en roterande referensram. Baserat på dessa dimensionslöst flöde ekvationer, en experimentell strategi som länkar utformningen av testmodulen, är experimentella programmet och dataanalys formulerad med försök att avslöja isolerade Coriolis-kraften och flytkraft effekter på värme överföra föreställningar. Effekterna av Coriolis kraft och roterande flytkraft illustreras med hjälp av selektiv resultaten mätt från roterande kanaler med olika geometrier. Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter delar flera gemensamma drag bland de olika roterande kanalerna, finns unika värme överföring signaturer i samband med flödesriktningen, kanalformen och arrangemanget av värme överföra enhancement enheter. Oavsett flöde konfigurationer av de roterande kanalerna, experimentell metod möjliggör utveckling av fysiskt konsekvent värme överföring korrelationer som möjliggör utvärdering av isolerad och beroende av Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter på värmen överföra egenskaper roterande kanaler.

Realistiska driftsförhållanden för invändig skärvätsketillförsel flödena inuti en roterande gasturbin blad när det gäller Re, Ro och Bu jämförs med de emulerade laboratorieförhållanden i figur 1. Datapunkterna falla i realistisk motor förhållanden med närvarande experimentell metod sammanfattas i protokoll11,14,17,20...

Watch this Scientific Journal Video about Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel at JoVE.com

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

Här presenterar vi en experimentell metod för frikoppling beroende av Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter på full-fältet värme överföring distributioner av en roterande kanal.

Uncoupling Coriolis kraft och roterande flytkraft effekter på Full-fältet värme överföra egenskaperna för en roterande kanal

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Denna metod kan hjälpa till att svara på viktiga frågor i fältet värmeöverföring inklusive många klassade till intern kylning av gjutna turbin rotorblad. Den största fördelen med denna teknik är de fullständiga uppgifterna om fältvärmeöverföring som samlas in och den föreslagna metoden för minskning av data. Dessa kan avslöja individuella och ömsesidigt beroende effekter av Coriolis veck och roterande flytkraft på lokala egenskaper värmeöverföring.Demonstrera förfarandet kommer att Kuo-Ching Yu, Wei-Ling Cai och Hong-Da Shen. Tre doktorander från mitt laboratorium. Protokollet kräver användning av en roterande rigg som består av en axel som drivs av en motor.Axeln driver en roterande plattform som stöder en testmodul. Den har också en motvikt för rotationsbalansering. En infraröd kamera är i position för att skanna testmodulen.Funktioner i testmodulen som används för datainsamling avbildas i denna sprängvy schematisk. När konstrueras, Teflon ram, sidoväggar, avdelare och topp och rygg plattor hjälpa definiera en kvadrat två tidigare kanal med S-formade inlopp och uttag ben. Modulens bas fäster vid den roterande plattformen.Under experiment, rostfri folie ändväggar bära ström för att generera uppvärmning fluss. Kopparplattor hjälper till att hålla folien på plats. En luft Plenum kammare levererar trycksatt luftflöde genom basen något utanför mittlinjen av inloppsbenet.Slutligen går även avgaser från utloppsbenet genom basen. När den väl är sammansatt och i läge är den exponerade folieändväggen den ledande ändväggen i rotationen. Vid den monterade testmodulen, förbered dig för att mäta den termiska emissiviteten.Där häng värmefolie mellan infraröd kamera och testmodulen. Gör de elektriska anslutningarna för uppvärmning. Få åtkomst till den sida av folien som är närmast testmodulen.På den sidan i mitten av folien installera en kalibrerad termoelement. Nästa tur uppmärksamhet till kameran vänd sida av folien. Förbered denna sida mittemot termoelementet genom att spraya ett tunt lager svart färg på den.Nu använder kapsling för att isolera kameran i värmefolie under datainsamling. Mata elektrisk kraft till värmefolien för att skapa ett symmetriskt flödesfält. När systemet är i steady-state, mäta temperaturen genom termoelement och infraröd termografi.Upprepa mätningen med olika värmare befogenheter. Efter att ha slutfört mätningarna, ta bort termoelementet från folien. Ha riggen redo för att göra värmeöverföringstester.Detta inkluderar utrustning för trycksättning av testkanalen. Var beredd att justera motvikten för att upprätta balans av riggen. Verifiera eller upprätta först statisk balansering av den roterande riggen.När den uppnåtts kommer rotorn att förbli i alla vinkelläge som den är inställd på. För dynamisk balansering, starta riggen roterande i önskad konstant takt. Påbörja infraröd avbildning och visa de tagna bilderna.När riggen inte är i dynamisk balans är den termografiska bilden från mätningarna inte stabil. För att uppnå dynamisk balans justerar du gradvis motvikten. När dynamisk balans uppnås kommer det att finnas en stabil värmebild under de löpande förhållandena.Ta bort testmodulen från den roterande riggen och ta den till en bänk. Nästa tillgång modulerna kylmedel kanal. Ha värmeisoleringsmaterial tillgängligt, i detta fall isolerande fiber.Fyll kylvätskekanalen till testmodulen med värmeisoleringen. Här fylls kanalen tillräckligt för nästa steg i protokollet. Montera igen testmodulen och förbered den för återmontering på riggen.Återanslut all ström i instrumentkablar. Lämna in testmodulen på den roterande riggen, applicera värmeeffekt och ställ in förutsättningarna för mätningen. Övervaka väggtemperaturen över tiden, vanligtvis mer än tre timmar.Temperaturerna vid de två tidpunkterna av intresse ritas under värmebilden. När temperaturvariationen är mindre än 0,3 Kelvin, registrera väggen i omgivningstemperaturer och värmarens effekt. Gör flera mätningar samtidigt som du systematiskt varierar uppvärmning, rotationshastighet och riktning.När du är klart ta modulen tillbaka till en bänk för att ta bort det isolerande materialet innan du monterar den på riggen igen. Därefter utför du värmeöverföringstestet med testmodulen. Starta det kalkylblad som utvecklats för experimentet.I lämpliga celler definierar du de geometriska parametrar som är associerade med testmodulen. Vid uppställda, starta kylvätskeflöde in i testkanalen. I kalkylarket anger du de uppmätta värdena för omgivnings- och vätsketemperaturer, skärvätskas massflödeshastighet, atmosfärstryck och det uppmätta kylvätskestatiska trycket.Programvaran beräknar Reynolds-numret och visar det. Om det inte är det önskade Reynolds-numret, ändra skärvätskemassflödet. Sedan åter in de uppmätta parametrarna för att hitta den nya Reynolds nummer.Med Reynolds-numret etablerat, aktivera systemet för trmografi. Därefter försörj och reglera värmeeffekten för att ställa in väggtemperaturen. Kontrollera att temperaturen har nått ett steady-state vid det fördefinierade värdet genom att verifiera temporalväggens temperaturprofil är platt.I kalkylarket anger du den genomsnittliga väggtemperaturen över det skannade området. Mata även in värmespänningen och värmeströmmen. För tester vid baslinjen när villkoren har angetts spara data för efterbearbetning.För den roterande värmeöverföringsprovningen fortsätta genom att aktivera motorn för att påbörja rotation. Ange rotationshastigheten för axeln i kalkylbladet. Programvaran kommer att bestämma rotationsnumret för de aktuella förhållandena.Justera rotationshastigheten för att få det riktade rotationsnumret. För att uppnå önskade Reynolds- och notationstal i stabilt tillstånd kan det vara nödvändigt att finjustera skärvätskeflödet. Rotationshastighet och värm upp strömmen flera gånger.Spara alla roterande värmeöverföringsdata för efterbearbetning. Fortsätt att systematiskt samla in data för olika värden av de experimentella parametrarna. I dessa bilder av S-kanalen testmodul med kylvätskeströmmar på olika Reynolds nummer finns rumslig variation av Nusselt-tal på grund av centrifugalkrafter som framkallas av virvlar.Dessa tomter återspeglar området i genomsnitt värmeöverföringsegenskaper över de ledande och avslutande ändväggarna i S-kanalmodulen. Rotationen till statiskt Nusselt talförhållande som en funktion av flytförmåga nummer går underifrån till ovan en för den ledande väggen. För den avslutande kantväggen är förhållandet aldrig under ett.Obs, för fast rotationsnummer och olika Reynolds-nummer, varierar de normaliserade Nusselt-numren över ett litet intervall. Olika kanaltyper har olika beteende. För ett givet rotationsnummer ger extrapolering till noll flytkraft värmeöverföringsnivån på grund av Coriolis-krafter med försvinnande flytkraft för den ledande väggen.Liknande analys fungerar för den avslutande väggen. Här är variationen av rotationen till statiskt Nusselt talförhållande vid försvinnande flytkraft som en funktion av rotationsnummer för olika kanalgeometrier. Uppgifterna visade den okopplade Coriolis kraft effekter på området i genomsnitt värme överföring egenskaper ledande och avslutande kant slutet väggar.Dessa data visar inverkan av flytkraft nummer på värmeöverföringsegenskaperna hos en roterande kanal är rotationsnummer beroende. Så denna metod kan ge insikt i kylning prestanda roterande kanal inuti en gjuten turbin rotorblad. Det kan också tillämpas på andra system såsom amature kylning av rika kärnmotor.Generellt, individer nya till denna metod eller cykel eftersom värmeöverföringen mätning från en roterande yta är svårt. När behärskar, kan denna teknik göras i 100 timmar om det utförs på rätt sätt. Medan du försöker detta förfarande, Det är viktigt att komma ihåg att ständigt kontrollera om kylmedel flödesläckage.Efter dess utveckling, banar denna teknik för forskare i området castturbinmotor för att utforska de fulla fältet Nusselt nummerfördelningar i rotorblad. Efter att ha sett den här videon, bör du ha en god förståelse för hur man frikopplade effekter av Coriolis veck och roterande flytkraft på full fält agenter för egenskaper hos de roterande kanaler och applikationer för att gjuta turbin rotorblad.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Equilibrium of a Rigid Body

Dynamics of Rotational Motions

SCIENTISTS IN ACTION

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Proton Transfer och proteinkonforma Dynamics i Känsliga Proteiner från Time-löst Step-scan Fourier-transform infraröd spektroskopi

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

Atomic Force Microscopy av Red-Light Fotoreceptorer Använda PeakForce Kvantitativ Nanomechanical Property Mapping

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

Elektroaktiv polymer Nanopartiklar som uppvisar fototermisk Egenskaper

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Laserinducerad Forward Överföring av Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

Is Generation och värmen och masstransport Fenomen av införande av vatten till ett kallt bad saltlösning

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

Magnetiskt Induced Roterande Rayleigh-Taylor Instabilitet

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Mätning av Quantum Interference i Silicon ringresonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Pool-Boiling Heat-Transfer Enhancement on Cylindrical Surfaces with Hybrid Wettable Patterns

Pool-Boiling värmeöverförings Enhancement på cylindriska ytor med Hybrid Vätbara Mönster

In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

Mätningar av lokala momentana konvektiv värmeöverföring i ett rör - singel och två faser flöde

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

Mätning av dynamiska kraft agerat på vatten Strider ben hoppar uppåt av PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...