解耦科里奥利力与旋转浮力对旋转通道全场传热特性的影响

该方法有助于解答传热领域中的关键问题，包括与铸造涡轮转子叶片内部冷却相关的诸多问题。该技术的主要优势在于能够获取全场传热数据，并采用所提出的数据简化方法，从而揭示科里奥利力和旋转浮升力对局部传热特性的单独影响及相互作用。

演示该实验操作的将是来自我实验室的三位研究生：Kuo-Ching Yu、Wei-Ling Cai 和 Hong-Da Shen。本方案需要使用一种由电机驱动转轴的旋转装置。

轴驱动一个支撑测试模块的旋转平台，同时配有用于旋转平衡的配重。一台红外相机已就位，可对测试模块进行扫描。

用于数据采集的测试模块的结构特征如本爆炸图示意图所示。组装后，聚四氟乙烯（Teflon）框架、侧壁、隔板以及顶部和背板共同构成一个具有S形进出口支管的方形双通道。模块底座连接至旋转平台。

实验过程中，不锈钢箔片端壁通电流以产生加热通量。铜板有助于固定箔片位置。空气稳流腔从入口支路中心线稍偏位置的底部提供加压空气流。

最后，出口支管的废气也通过底座。组装完毕并就位后，暴露的箔片端壁即为旋转方向的前端壁。在安装的测试模块处，准备测量其热发射率。

在红外相机与测试模块之间悬挂加热箔。连接加热所需的电路，并接触靠近测试模块一侧的加热箔。

在该侧的箔片中心安装一个已校准的热电偶。接着将注意力转向箔片面对相机的一侧。在与热电偶相对的这一侧喷涂一层薄的黑色油漆，以进行准备。

现在使用 enclosure 将相机在数据采集期间隔离在加热箔中。向加热箔供电以产生对称的流场。当系统达到稳态后，使用热电偶和红外热成像仪测量温度。

使用不同的加热功率重复测量。完成所有测量后，将热电偶从箔片上移除。准备好装置，以便进行传热测试。

这包括用于对测试通道加压的设备。需准备好调整配重，以实现装置的平衡。首先验证或建立旋转装置的静态平衡。

一旦达到该状态，转子将保持在其设定的任意角位置。进行动态平衡时，启动装置以所需的恒定速率旋转。开始红外成像并查看捕获的图像。

当设备未达到动态平衡时，测得的热成像图不稳定。为实现动态平衡，需逐步调节配重。当达到动态平衡时，运行条件下将获得稳定的热图像。

从旋转装置上拆下测试模块并将其移至工作台。接着接触模块的冷却剂通道。准备隔热材料，本例中为隔热纤维。

用隔热材料填充测试模块的冷却剂通道。此处，通道已填充充分，可进行后续实验步骤。重新组装测试模块，并准备将其重新安装到装置上。

重新连接仪器电缆的所有电源。将测试模块放回旋转装置，接通加热电源，并设置测量条件。监测壁面温度随时间的变化，通常超过三小时。

在热成像图下方绘制了两个关注时间点的温度。当温度变化小于0.3开尔文时，记录环境温度下的壁面温度和加热器功率。在系统改变加热条件、转速和旋转方向的同时，进行多次测量。

完成后，将模块取回实验台，移除隔热材料，然后再次安装到装置上。接下来，使用测试模块进行传热测试。启动为该实验开发的电子表格。

在相应的单元格中，定义与测试模块相关的几何参数。在设置过程中，启动冷却液流入测试通道。在电子表格中输入环境温度和流体温度、冷却液质量流量、大气压力以及测得的冷却液静压的测量值。

软件会计算雷诺数并显示结果。如果雷诺数未达到预期值，请调整冷却剂的质量流量，然后重新输入测量参数以获得新的雷诺数。

确定雷诺数后，启动热成像系统。接着，供给并调节加热功率以设定壁面温度。通过验证壁面温度随时间变化的曲线呈平稳状态，确认温度已达到预设的稳态值。

在电子表格中，输入扫描区域的平均壁面温度。同时输入加热电压和加热电流。对于基线测试，在设定条件后保存数据以供后续处理。

进行旋转传热测试时，启动电机以开始旋转。将轴的旋转速度输入电子表格中。软件将根据当前条件确定旋转次数。

调节旋转速度以达到目标转速。为了在稳态条件下实现所需的雷诺数和转速，可能需要微调冷却剂流速。多次调整旋转速度和加热功率。

保存所有旋转传热数据以供后续处理。继续系统地收集不同实验参数条件下的数据。在这些显示S形通道测试模块的图像中，由于涡流引起的离心力作用，不同雷诺数下的冷却流体表现出努塞尔数的空间变化。

这些曲线图反映了 S 型通道模块前缘和后缘端壁的面积平均传热特性。对于前缘壁面，旋转与静态努塞尔数之比随浮力数的变化由小于 1 变为大于 1。而对于后缘壁面，该比值始终不小于 1。

需要注意的是，对于固定的旋转数和不同的雷诺数，归一化的努塞尔数在较小范围内变化。不同类型的通道具有不同的特性。对于给定的旋转数，外推至零浮升力时可得到仅由科里奥利力作用下前缘壁面的传热水平。

类似的分析也适用于后缘壁面。下图显示了在浮力效应消失时，不同通道几何形状下旋转努塞尔数与静态努塞尔数之比随旋转数的变化情况。实验数据揭示了科里奥利力对前缘和后缘端壁面面积平均传热特性产生的独立影响。

这些数据表明，浮升力数对旋转通道传热特性的影响依赖于旋转数。因此，该方法可为铸造涡轮转子叶片内部旋转通道的冷却性能提供深入理解。该方法也可应用于其他系统，例如富芯电机的电枢冷却。

通常情况下，由于旋转表面的传热测量较为困难，刚接触该方法或循环的研究人员会感到陌生。一旦掌握，若操作得当，该技术可在100小时内完成。在实施该过程时，重要的是要始终注意检查冷却液流动是否存在泄漏。

该技术问世后，为铸造涡轮发动机领域的研究人员探索转子叶片上的全场努塞尔数分布铺平了道路。观看本视频后，您应能充分理解如何解耦科里奥利力与旋转浮升力对旋转通道内传热特性的影响，并掌握其在铸造涡轮转子叶片中的应用。