پیش بینی اثر چرخش در انتقال حرارت و جریان سیال در یک حفره چرخان
چکیده
نازل‌های پیش-چرخش (pre-swirl) برای تحویل هوای خنک کننده به پره های توربین دوار در سیستم های سرمایش موتورهای توربین گاز، استفاده می‌شوند. این مقاله موردی را در نظر می گیرد که هوای خنک کننده به صورت دوار، بین دو دیسک کمک کننده به دوران، به سمت بیرون جریان دارد تا یک گرداب آزاد در هسته لزج بین لایه‌های مرزی روی دیسک‌ها ایجاد کند. یک تحلیل ترمودینامیکی انجام شد تا افزایش دمای هوای خنک کننده را به بخش کار آدیاباتیک مرتبط کند (که این امر دمای هوا را کاهش می‌دهد) و نیز بین این افزایش دما و انتقال حرارت بین دیسک ها و هوا، ارتباط برقرار کند (که این امر دمای هوا را افزایش می‌دهد). جهت تعیین عبارتی برای دمای دیسک آدیاباتیک و جهت جمع‌بندی درباره ضریب گشتاور و عدد نوسلت متوسط، از تشابه رینولدز استفاده شد. یک پارامتر مهم، βp است، که نسبت سرعت مماسی هوای پیش از چرخش به سرعت دیسک دوار می‌باشد. تشابه رینولدز نشان می‌دهد زمانی که βp= βp,crit باشد، ضریب گشتاور صفر است و نیز وقتی که βp= βp,opt باشد، عدد نوسلت متوسط می‌نیمم است. که βp,crit یک نسبت بحرانی پیش از چرخش و βp,opt یک نسبت بهینه پیش از چرخش است. محاسبات انجام شده با فرض جریان بیضویِ متقارن محوریِ حالت دائمی که با یک مدل اغتشاشی k-ε عدد رینولدز کم، ترکیب شد، در تطابق مناسبی با توزیع فشار، دمای دیسک آدیاباتیک و اعداد نوسلت محلی، پیش‌بینی شده با مدل‌های تئوری هستند. مقدار تخمینی برای βp,crit در تطابق با مقادیر تئوری است و این محاسبات همچنین، وقوع یک عدد نوسلت متوسط می‌نیمم را تایید می‌کنند. برای βp< βp,opt دمای هوای خنک کنندۀ تخمینی، با افزایش βp کاهش می‌یابد؛ برای βp> βp,opt، افزایش یا کاهش این دما، به اندازه نسبی کار آدیاباتیک و انتقال حرارت از دیسک، وابسته است.
1- مقدمه
در بسیاری از توربین‌های گازی، هوای خنک کننده با پره، از نازل‌های پیش-چرخش ساکن تامین می‌شود. یک نمودار ساده شده از "سیستم پیش-چرخشی صفحۀ تحت پوشش" در شکل 1 نشان داده شده است. با چرخش هوا در جهت دوران دیسک توربین، دمای نسبی هوای وارد به جریان کاهش می‌یابد. سیستم‌های پیش چرخشی توسط پژوهشگران زیادی مطالعه شده اند و خواننده، به کارهای انجام شدۀ ذیل ارجاع داده می‌شود: میروفر و فرانکلین (1981)، ال‌اون و اون (1989)، چن و همکاران (a,b 1933)، پاپ و همکاران (1996)، ویلسون و همکاران (1997)، پیل‌برا و همکاران (1999)، و کارابی و همکاران (1999 و 2000). موارد کلی دیگری از جریان‌های دیسک دوار را می‌توان در پژوهش اون و راجرز (1989 و 1995) یافت.
Abstract
Pre-swirl nozzles are used to deliver the cooling air to the rotating turbine blades in the cooling systems of gas turbine engines. This paper considers the case where the cooling air flows radially outward, between two corotating discs, to create a free vortex in the inviscid core between the boundary layers on the discs. A thermodynamic analysis is used to relate the temperature increase of the cooling air to the adiabatic work term (which reduces the air temperature) and to the heat transfer from the discs to the air (which increases the temperature). The Reynolds analogy has been used to determine an expression for the adiabatic-disc temperature and to draw conclusions about the moment coefficient and average Nusselt number. An important parameter is βp, the ratio of the tangential velocity of the pre-swirl air to the speed of the rotating disc, and the Reynolds analogy shows that the moment coefficient is zero when βp=βp,crit, a critical pre-swirl ratio, and that the average Nusselt number is a minimum when βp=βp,opt, an optimal pre-swirl ratio. Computations made using a steady-state axisymmetric elliptic-flow solver, incorporating a low-Reynolds-number k–ϵ turbulence model, are in good agreement with the pressure distribution, adiabatic-disc temperature and local Nusselt numbers predicted by the theoretical models. The computed values of βp,crit agree with the theoretical values, and the computations also confirm the occurrence of a minimum average Nusselt number. For βp<βp,opt, the computed temperature of the cooling air decreases as βp increases; for βp>βp,opt, whether the temperature decreases or increases depends on the relative magnitude of the adiabatic work term and the heat transfer from the discs.
چکیده
1- مقدمه
2- مدل محاسباتی
3- دینامیک سیالات حفره چرخان
3-1 ساختار جریان تئوری
3-2 ساختار جریان تخمینی
3-3 توزیع فشار تخمینی
4- ترمودینامیک سیستم‌های پیش-چرخش
5- انتقال حرارت: کاربرد تشابه رینولدز برای جریان‌های گرداب آزاد
5-1 دمای دیسک آدیاباتیک
5-2 اعداد نوسلت محلی
5-3 اعداد نوسلت متوسط
6- تاثیر βp در گشتاورهای دیسک و انتقال حرارت به جریان‌های گرداب آزاد
6-1 ضرایب گشتاور
6-2 اعداد نوسلت متوسط
6-3 دمای هوای خنک کننده
7- جمع‌بندی
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه