הבנת העברת חום היא אתגר בסיסי בעיצוב ותפעול של טורמוקי, כולל טורבינות גז וטור, אקסיאל וצנטריפוגות צנטריפוגות, ומשאבות.היכולת להסיר ביעילות חום ממרכיבים חמים או להעביר חום לתוך נוזל עבודה ישירות השפעות יעילות תרמית, עמידות חומרית ואמינות מערכת כוללת.אחד מהנדסי המסגרת המיותרים ביותר משתמשים לנתח ולייעל את העברת החום בתאוריה זו הוא להרחיב את התכונות המתקדמות של תפקוד פיזיקלימי, ואפקטים של תפקוד תקין של שיטות בקרה, ואפקטים, על גבי רצפה, ואפקטים, על גבי רת חום, ואפקטים על גבי רת חום, על גבי מתודולוגיה, על גבי מתודולוגיה של שיטות בקרה מתקדמת של שיטות בקרה טמפרטורה, על גבי רת תפקוד חום, כדי להרחיב את התכונות של שיטות בקרה טמפרטורה מתקדמת, ואפקטים, ואפקטים, ואפקטים, על גבי רת תפקוד תקין של תפקוד תקין של תפקוד חום, על גבי רת תפקוד תקין של שיטות בקרה טמפרטורה, ואפקטים, ואפקטים, על גבי רת תפקוד תקין של תפקוד חום, כדי להרחיב את תכונות חום, ואמינות המערכת הכללית.

מהי תורת השכבות הנרדפת?

תורת שכבת השכבה הסגורה, שפותחה לראשונה על ידי לודוויג Prandtl בשנת 1904, מתארת את האזור הדק סמוך משטח מוצק שבו אפקטים של סקופ מרוכזים.כאשר נוזל זורם מעל גבול מוצק, מצב ללא-סולק מאלץ את המהירות הנוזלית להיות אפס על הקיר. בתוך מרחק קצר מאוד מהקיר - שכבת הגבול - שכבת הגבול עולה במהירות מאפס לשווי זרם חופשי.

בהעברה חום, המושג משתרע באופן טבעי לשכבה הגבולית:0thermal Floorשכבה:1 (אם הקיר ונוזל זרם חופשי נמצאים בטמפרטורות שונות, שכבה דקה שמקיפה את הטמפרטורה הנוזלית מהטמפרטורה לטמפרטורה החינמית-זרםית) עובי המהירות והשכבות הגבול התרמיות נשלט על ידי מספר Prandtl (Pr= ⁇ /α), שם הוא גבוה יותר כמו ⁇ ) חום (p) ו- 0.

ההתנהגות של שכבת הגבול של ריינולדס - בין אם laminar או turbulent - יש השפעה עמוקה על העברת חום. שכבת גבול laminar היא חלקה, עם שכבות נוזל כיפוף זה על זה באופן מסודר.העברה חום מתרחשת בעיקר על ידי התנהגות על פני השכבה, וכתוצאה מכך גירוי חום נמוך יחסית של קוגניציה חום נמוכה יחסית.

חשיבותה של תורת שכבות Boundary ב Turbomachinery

רכיבי טורבומצ'יני פועלים בתנאים קיצוניים: טמפרטורות גבוהות, לחצים ומהירויות סיבוביות. wpbine blades in a גז טורבינות גז, למשל, חשופים ישירות גזים של בעירה שיכולה לעלות על 1,600 מעלות צלזיוס - הרבה מעל נקודת ההיתוך של סגסוגת להב יעיל קירור הוא חיוני, לעתים קרובות מושג על ידי דימום אוויר דרך מעברים פנימיים וזריקת אותו דרך קירור על פני השטח החום והגבול בין הלהב.

בדומה, ב להבים דחוסים, שכבת הגבול משפיעה הן על ביצועי אווירודינמיקה והן על העברת חום. בעוד דחוסים פועלים בטמפרטורות נמוכות יותר מאשר טורבינות, העברת חום מהגז החם אל הלהב יכולה לשנות את מצב שכבת הגבול, מה שגורם מעבר מוקדם או הפרדה, אשר מקטין את היעילות.בעמודי דיסק ואזורי חותם, שכבות הגבול על משטחים רוטטים ותחנות מכתיבות את ההפצה והשרירים התרומית שמניעה.

פרמטר המפתח שבו מהנדסים משתמשים כדי לכמת העברת חום אחידה הוא מספר ה-FLT:0התחממות העברה coefficientsFLT:1 (h), המוגדר כ- q= h(T w - T ⁇ ) מספר ה- Nusselt המקומי (Nu= hL/k) הוא הצורה חסרת ממד שמשתווה ישירות עם שכבת גבול.

Laminar Versus Turbulent Boundary Layers in Practice

ב- turbomachinery, שכבת הגבול היא לעתים רחוקות רק laminar או מטריד לחלוטין לאורך כל פני השטח. Transition מתרחשת כאשר מספר ריינולדס המקומי עולה על ערך קריטי, לעתים קרובות סביב 105 עד 106 עבור משטחים חלק, אבל יכול להיות מופעל מוקדם יותר על ידי גסות פני השטח, לחץ ⁇ s, או זעזועים חינם של הזרם.מהנדסים להשתמש בידע זה כדי לקדם תכונות משטח או עיכוב על פני השטח על בסיס הצרכים התרמיים המבוססים על ניהול תרמי.

  • (FLT:0) שכבות הגבול של פולר 1 רצויות על פני השטח האירודינמי שבו חיכוך העור גרר הוא דאגה עיקרית - כגון הצד המבעה של להבים דחוסים או האף של טורי טורבינת - כי הם מייצרים לחץ הרהר נמוך יותר.עם זאת, הם מספקים העברה חום ירודה, אשר יכול להיות מקובל אם חום הם בינוניים.
  • (FLT:0) שכבות הגבול המתפשטות של 1FLT (FLT:1), מושרה במכוון על להבים טורבינות חם כדי למקסם את יעילות קירור משולבת.השילוב המוגברת עוזר גם לשמור על שכבת הגבול המצורפת ב ⁇ לחץ שלילי, עיכוב הפרדה ושמירה על ביצועים אווירודינמיקה אפילו כמו מסובכים חצויים.

אזור המעבר עצמו מורכב מאוד לא יציב, לעתים קרובות מעורבים היווצרות והתמוטטות של כתמים סוערים. טכניקות מדידה מתקדמות ודינמיקה נוזלי חישובי (CFD) משמשים כדי לחזות מיקום מעבר ואת חלוקת החום וכתוצאה מכך על ג'קוזימות להב אמיתי.

אסטרטגיות לשיפור העברת חום ב Turbomachinery

מהנדסים מעסיקים מגוון רחב של תכונות עיצוב ושיטות בקרת זרימה כדי לתמרן שכבות גבול עבור העברת חום אופטימלית.המטרה היא בדרך כלל להגדיל את המקדם העברת החום על משטחים חמים (להבים טורפים, קוטור) או להפחית אותו על משטחים קרים (להבים מדכאים, נושאות דיור).

גרימת טורבולנס דרך קשיחות פני השטח ו-Vrtex Generators

אחת הדרכים הפשוטות ביותר להגביר את העברת החום היא להזיז את שכבת הגבול מן laminar כדי להרגיז.משטח גסות - בין אם מייצור, ציפויים או מחוספס מכוון - יכול לגרום מעבר. in turbomachinery, זה לעתים קרובות מיושם באמצעות אלמנטים גסים דיסקרטיים בו זמנית כגון dimples, ribs, או מכה על פני השטח vort הם גנרטורים קטנים (מדומים) במיוחד זרם נוזל זרם חשמלי יעיל.

ריב טורב טורפים משמשים נרחב בתוך מעברים פנימיים של להבים טורבינות. אלה פצעים חוזרים חוזרים - מכוון perpendicular או בזווית לזרימה - ליצור אזורי תיקון ולקדם שילוב סוער.גובה rib (e), סט (p), וזווית יחסית לזרימה הם אופטימיזציה כדי למקסם את הפחתת חום הקורט תוך ניהול הירידה האופיינית.

סרט מגניב

קירור הסרט הוא אחד האסטרטגיות ההבשלה והקריירה ביותר עבור חלקים חמים של טורבינות גז. חורים קטנים או חריצים על פני הלהב מזרקת אוויר קריר יחסית ממעברים פנימיים לתוך שכבת הגבול.זה מוזרק מהווה שכבת מגן (הסרט) שמגן על פני הלהב מהגז המרכזי החמים.היעילות של קירור הסרט תלויה במידה רבה באינטראקציה בין המשטח הקרדי והגבול.

פרמטרים כגון יחס הפיצוץ (M= ⁇ c U c / ⁇ ⁇ U ⁇ ), צורת הבור וזווית, ואת התכווצות בין חורים לקבוע אם הישבן קריר מחובר או מרים לתוך הזרם המרכזי. עיגולים בזווית רדודה (30-35°) לייצר גם מפלספיפות רחבות יותר של מפוצץ, צמצום החורים מתקדמים (למשל, בצורת ריבוע), אך לעתים קרובות יותר מדי, אם הוא מנקה את הנגבורדת יותר מדי, אך גם את הפחתת יחסי הסנדפסה (מדומים) מאוחר יותר מדי) מטווח כהה יותר מדי, אך גם את המקרר, אך גם מכווץ יותר מדי, אך גם את המקרר, אך מכווץ יותר ויותר) מכווץ יותר מדי, אך מכווץ יותר מדי, אך מכווץ יותר מדי, אך גם את המקרר, אם הוא יכול גם את המקרר, מכווץ יותר מדי, מכווץ יותר מדי, אך מכווץ יותר מדי, אך מטווח כהה יותר ויותר, מכווץ יותר מדי, אם הוא יכול גם את המקרר, לעתים קרובות, אך מכווץ יותר מדי, אך מכווץ יותר מדי, מכווץ יותר מדי, מכווץ יותר מדי, לעתים קרובות, מכווץ יותר מדי, אך מ

להבים טורבינות מודרניים משתמשים במספר שורות של חורים קירור סרטניים מסודרים בדפוסים מזוהמים כדי לספק כיסוי מתמשך.מודלים Computational כי לפתור את המשוואות של ריינולדס-הוברed Navier-Stokes (RANS) עם מודלים סוערים כמו k- ⁇ SST משמשים באופן שגרתי לתכנון סידורי קירור סרט עם יעילות גבוהה (>0.7) ושימושים מינימלי.

משטחים משופרים: ריבס, דימפלים, ו- Pin Fins

עבור ערוצי קירור פנימיים, שבו הזרם המרכזי הוא בדרך כלל הקריר עצמו, מהנדסים מעסיקים גיאוגרפית משטח מוגברת כדי להגביר את ההפרעה ואת אזור העברת חום בו זמנית. ריבס (כפי שנדון) הם גישה אחת; דיונים הם עוד. דיונים - דיכאון מכווץ על פני השטח - גננות נגד נגד vulate נגד זוגות כי משפר ללא לחץ גדול של צלעות הם לעתים קרובות בשימוש על פני השטח.

פין fins הם קצרים, צילינדרים או מרכיבים מעוצבים המשתרעים מקיר אחד מעבר לערוץ אל הקיר ההפוך, או שהם יכולים להיות מחוברים לקיר אחד בלבד.הם משמשים בדרך כלל במעברים של להבים טורבינות לספק תמיכה מבנית תוך קידום מהירויות גבוהות של העברת חום.הזרם סביב מעצבי פינים מייצר ערות שוליים ועצבנות מרופת של חום, אשר מגביר מאוד את הלחץ על ידי משאבה מהירה יותר מחוזק חום.

עקבו אחרי Surface Materials

ציפויי מחסום תרמיים (TBCs) הם שכבות קרמיקה (בדרך כלל ytria-stabilized zirconia) החל על פני השטח החיצוניים של להב טורבינות כדי להפחית את טמפרטורת המתכת. בעוד TBCs בעיקר להוסיף התנגדות תרמית, הם גם משפיעים על שכבת הגבול על ידי שינוי גסות פני השטח ואת emissivity. A חלק TBC יכול לעזור לשמור על שכבת laminar על הלחץ של לפעמים, 000 אלקטרון, לעתים קרובות, 000.

חומרים מוליכים-תרמיים גבוהים כמו נחושת או מתרכובות יהלומים משמשים באזורים קריטיים של העברת חום, כגון הקצה המוביל של להבים או הטיפים של רוטורים דחוסים, להפיץ חום בצורה יעילה יותר ולהפחית את ⁇ הטמפרטורה המקומית.שכבת הגבול נשאר ללא שינוי, אבל הטמפרטורה מופחתת ⁇ משנה את תנאי הגבול התרמית ויכולה להשפיע על העברת חום מקביל.

מודלים של שכבות Boundary ב Turbomachinery

פתרונות שכבת גבול אנליטית, כגון הפתרון של Blasius לזרם מעל צלחת שטוח, שימושיים להבנה בסיסית אבל הם לא מספיק עבור תלת מימד מורכב, רוטט, וזרימים לא יציב בתוך turbomachinery. עיצוב מודרני מסתמך במידה רבה על דינמיקת נוזל חישובית (CFD) אשר פותרת משוואות Navier-Stokes עם מודל טורף.

ריינולדס-הוברד Nvier-Stokes (RANS) מודלים, כגון k-ε, k- ⁇ SST, ו- Spalart-Allmaras, הם סוסי העבודה של עיצוב טורמנטרי תעשייתי.מודלים אלה פותרים את זרימת הזרם והשימוש משוואות תחבורה כדי לעצבן את הסטיות הסוערות או את מודל ה- SST הפופולרי במיוחד משום שהוא מפגין באופן סביר מעבר לא מדויק, אך הוא מחובר באופן סביר, אך הוא מחובר למשטחי תיבות של מעבר לא מדויק.

סימולציה גדולה (les) וסימולציה מספרית ישירה (DNS) לפתור את הדאוגות יותר סוערת ויכולה לספק תחזיות מדויקות מאוד של העברת חום, אבל בעלויות חישוביות גבוהות מדי עבור מלא-אנולוס או סימולציות מרובות-שלבים. Wall-מודלים מתפתח כפשרה מעשית למחקר ועיצוב מוקדם, במיוחד עבור הדלפה ומיזוג של אינטראקציות קוגניבות שבו הם שולטים תופעות לוואי לא טורחות.

מהנדסים משתמשים גם במודלים מופחתים וגישות מבוססות קורלציה עבור מסלולים עיצוביים ראשוניים.השימוש בלמידה של מכונה כדי לפתח מודלים חלופיים עבור קוגניפיטים העברת חום המבוססים על פרמטרים שכבת גבולות הוא תחום פעיל של מחקר, עם פוטנציאל להאיץ את תהליך העיצוב ללא דיוק הקרב.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות עשרות שנים של התקדמות, כמה אתגרים נשארים בשימוש תורת שכבת גבול כדי לשפר את העברת החום בטורמנטריורי.אתגר אחד גדול הוא הסביבה עתירה גבוהה, לחץ גבוה כי עושה מדידה ישירה של תכונות שכבת גבול קשה מאוד.טכניקות אופטיות כמו velocime תמונה חלקיקים (PIV) ומדמוגרפיה אינפרא אדום משמשים במודלים מעבדה בקנה מידה, אבל הם לא יכולים לשכפל את התנאים המלאים כמו עיצובים, כלומר, כלומר, רבים לא יכולים ללכוד את הפיזיקה המציאותית, לא יכול להיות יעיל.

אפקטים לא יציבים - כגון התעוררות משורת להבים של מעלה, זרמי קוריוליס וכוחות צנטריפוגה המושרה לסיבוב, ועלייה או דוכנים בדחוסים - כי שכבת הגבול להתפתח כל הזמן.תמי קירור הסרט, למשל, מושפעים מאוד על ידי שדה הלחץ הבלתי יציב מעובר להבים רוטורים, ומודלים יציבים קבועים תחת שכבת הזמן המוזרקת של ההתפלגות ה-Frets-Dreekts-re-re-re-Cre-re-re-re-re-Cre-reconsoled-Cre-C-C-Crecon-Crecon-to-to-to-recon-to-to-recon-recon-to-to-to-recon-to-to-to-reconsold-to-to-to-recon-recon-reconsolreconsoled-to-to-to-to-to-to-to-to-reconsol-to-to-to-to-to-to-to-recon-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

ייצור Additive (3D הדפסה) הוא פתח אפשרויות חדשות עבור בקרת שכבת גבול.מורכב גיאוגרפיה קירור פנימי, כגון רשתות קירור מריצה עם צלעות מעוקלות וסעיפים צלב משתנה, יכול עכשיו להיות מייצור כי לא ניתן להטיל או מכונה. גיאוגרפיות אלה ניתן לייעל באמצעות אלגוריתמים טופולוגיים טופולוגיים כדי להשיג את ההעברה החום הגבוהה ביותר לירידה בלחץ באופן דומה, פני השטח שלילי יכול להיות מותאם ישירות על ידי גנרטורים או תאים ניידים עם תאים ניידים.

גבול נוסף הוא השימוש בשליטה פעילה בזרימה, כגון מטוסי סילון סינתטיים או פלזמה פועלים, כדי לתמרן את שכבת הגבול בזמן אמת.מכשירים אלה יכולים לזרז את הזרמים המפוזרים, להפחית את החיכוך בעור, או לשפר את התערובת על הביקוש, למרות שעדיין בשלב המחקר, בקרה פעילה יכולה לאפשר תוכניות קירור הסתגלות להגיב לשינויים בעומס המנוע או בתנאים נוחים, פוטנציאל לשפר את החיים והפחתת הצריכה הקרירנית.

מסקנה

תורת שכבתיות Boundary נותרה אבן הפינה של ניהול תרמי ב טורמוקי.ממן היסודות של מעבר laminar-to-להיגע אל העיצוב המורכב של חורים קירור סרטניים וטרמפוטורים, בין המשחק בין זרמי הבטוס לבין העברת חום מכתיב את היעילות והעמידות של טורבינות, דחוסים, מכונות מתרקבות אחרות, התפתחו עשירות של אסטרטגיות מתוחכמות, כמו גם תכונות מתקדמות יותר של פעילות גופנית, או יותר, כדי לשפר את יכולת גופנית, או להגביר את יכולת גבוהה יותר, יותר, יותר, מאשר להגביר את רמת תפקוד גבוהה יותר, מאשר להגביר את רמת חום.

(ב) לקריאה נוספת על יסודות העברת חום שכבת הגבול, ראה את ה-FLT:0) ,Comineering ToolboxFLT 1 ו-FLT:2NASA של ההרחבה הגבולית של נאס"א 3 (הדיונים מתקדמים על קירור טורמכיני ניתן למצוא ב-FLT:4ASME של טורמצ'ינירי:5 עבור אלה המעוניינים בגישות מודרניות של CFD, אשר פותחים את הנקודה ה-Fritalranicernrys 7.