İkili Çarpan Jet ile Soğutulan Sıcak Plakanın Yüzey Şeklinin Isı Transferine Etkisinin Sayısal Analizi

Year 2021, Volume: 9 Issue: 1, 152 - 163, 31.01.2021

Hüseyin Kaya

https://doi.org/10.29130/dubited.754908

Cited By: 4

Abstract

Bu çalışmada sıcak bir plakanın çarpan jet akışla soğutulmasının ısı transferi ve akış karakteristikleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile sayısal olarak incelenmiştir. Sıcak plakanın aynı yükseklikteki düz, zikzak, yamuk ve dikdörtgen kesitli geometrileri için ikili nozul sistemi kullanılarak türbülanslı çarpan jet akış ile soğutulması durumunda ısı transferi ve hidrolik performanslar karşılaştırılmıştır. Hesaplamalarda çalışma akışkanı olarak hava kullanılmış olup, taşınımla gerçekleşen ısı transferi performansının analizi için ortalama ve yerel Nusselt (Nu) sayılarının dağılımı elde edilmiştir. Hidrolik performans için pompalama gücü değerleri karşılaştırılmıştır. Türbülanslı çarpan jet akış için k-ε türbülans – duvar yakın modelinin kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, yamuk kesitli plakanın en yüksek ısıl performansa sahip olduğu ve taşınımla gerçekleşen ısı transfer hızı aynı şartlarda düz plakadan yaklaşık %52,2 daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Termo-hidrolik performans açısından Nusselt sayısı/Pompalama Gücü oranı hesaplanmış ve en düşük performansın basınç farkının en yüksek olmasından dolayı dikdörtgen kesit için oluştuğu gözlemlenmiştir. Bununla birlikte yerel Nusselt sayılarının dağılımına bakıldığında, nozulların çarptığı noktalarda en yüksek değerleri alıp çıkış kısımlarına doğru azaldığı belirlenmiştir. Çarpan jetler kullanılarak soğutma işlemi yapılan sıcak plaka yüzey kesit şeklinin taşınımla gerçekleşen ısı transferini önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür.

Keywords

Çarpan jet akış, İkili jet, ısı transferi, HAD

Numerical Analysis of the Effect of Surface Shape of Hot Plate Cooled by Double Impinging Jet on Heat Transfer

Abstract

In this study, heat transfer and flow characteristics of cooling of a hot plate with impinging jet flow were investigated numerically by computational fluid dynamics method. Heat transfer and hydraulic performances were compared in the case of cooling of the hot plate with turbulent impinging jet flow using a twin nozzle system for flat, zigzag, trapezoid and rectangular geometries of the same height. Air is used as the working fluid in the calculations and the distribution of average and local Nusselt (Nu) numbers is obtained for the analysis of heat transfer performance. Pumping power values were compared for hydraulic performance. For turbulent impinging jet flow, the k-ε turbulence model – near wall treatment is used. According to the results obtained, the trapezoidal plate has the highest thermal performance with 115,67 Nusselt number value and this value is approximately 52,2% higher than flat plate under the same conditions. In terms of thermo-hydraulic performance, the Nusselt number / Pumping Power ratio was calculated, and it was determined that the lowest performance occurred for the rectangular section due to the highest-pressure difference. However, when looking at the distribution of local Nusselt numbers, it was determined that the nozzles hit the highest values and decreased towards the exit parts. It has been observed that the hot plate surface section shape, which is cooled using impinging jets, significantly affects the heat transfer.

Keywords

Impinging jet flow, Double jet, Heat transfer, CFD

References

• [1] M. J. S. De Lemos and C. Fischer, “Thermal analysis of an impinging jet on a plate with and without a porous layer,” Numer. Heat Transf. Part A Appl., vol. 54, no. 11, pp. 1022–1041, 2008.
• [2] M. Kılıç and H. M. Ali, “Numerical investigation of combined effect of nanofluids and multiple impinging jets on heat transfer,” Therm. Sci., vol. 2018, no. 5, pp. 3165–3173, 2018.
• [3] İ. Dağtekin and H. F. Öztop, “Heat transfer due to double laminar slot jets impingement onto an isothermal wall within one side closed long duct,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 35, no. 1, pp. 65–75, 2008.
• [4] V. Katti and S. V. Prabhu, “Heat transfer enhancement on a flat surface with axisymmetric detached ribs by normal impingement of circular air jet,” Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 29, no. 5, pp. 1279–1294, 2008.
• [5] S. A. Nada, “Slot/slots air jet impinging cooling of a cylinder for different jets-cylinder configurations,” Heat Mass Transf. und Stoffuebertragung, vol. 43, no. 2, pp. 135–148, 2006.
• [6] N. Singh, R. Sivan, M. Sotoa, M. Faizal, and M. R. Ahmed, “Experimental studies on parallel wavy channel heat exchangers with varying channel inclination angles,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 75, pp. 173–182, 2016.
• [7] H. G. Lee, H. S. Yoon, and M. Y. Ha, “A numerical investigation on the fluid flow and heat transfer in the confined impinging slot jet in the low Reynolds number region for different channel heights,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 51, no. 15–16, pp. 4055–4068, 2008.
• [8] B. K. Rim, N. M. Saïd, H. Bournot, and G. Le Palec, “Effect of nozzle-to-plate spacing on the development of a plane jet impinging on a heated plate,” Heat Mass Transf. und Stoffuebertragung, vol. 53, no. 4, pp. 1305–1314, 2017.
• [9] M. Attalla and M. Salem, “Experimental investigation of heat transfer for a jet impinging obliquely on a flat surface,” Exp. Heat Transf., vol. 28, no. 4, pp. 378–391, 2015.
• [10] A. M. Achari and M. K. Das, “Conjugate heat transfer study of a turbulent slot jet impinging on a moving plate,” Heat Mass Transf. und Stoffuebertragung, vol. 53, no. 3, pp. 1017–1035, 2017.
• [11] Y. H. Kim, D. H. Lee, and S. H. Han, “Investigation of impingement surface geometry effects on heat transfer in a laminar confined impinging slot jet,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 115, pp. 347–353, 2017.
• [12] M. Rajabi Zargarabadi, E. Rezaei, and B. Yousefi-Lafouraki, “Numerical analysis of turbulent flow and heat transfer of sinusoidal pulsed jet impinging on an asymmetrical concave surface,” Appl. Therm. Eng., vol. 128, pp. 578–585, 2018.
• [13] T. Park, K. Kara, and D. Kim, “Flow structure and heat transfer of a sweeping jet impinging on a flat wall,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 124, pp. 920–928, 2018.
• [14] A. Ü. Tepe, K. Arslan, Y. Yetişken, and Ü. Uysal, “Effects of extended jet holes to heat transfer and flow characteristics of the jet impingement cooling,” J. Heat Transfer, vol. 141, no. 8, pp. 1–14, 2019.
• [15] R. Ekiciler, M. S. A. Çetinkaya, and K. Arslan, “Convective heat transfer investigation of a confined air slot-jet impingement cooling on corrugated surfaces with different wave shapes,” J. Heat Transfer, vol. 141, no. 2, pp. 1–7, 2019.
• [16] M. Kılıç and Ş. Başkaya, “Farklı geometri̇de akış yönlendi̇ri̇ci̇ler ve çarpan jet kullanarak yüksek ısı akılı bi̇r yüzeyden olan ısı transferi̇ ı̇yi̇leşti̇ri̇lmesi̇,” Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Derg., vol. 32, no. 3, pp. 693–707, 2017.
• [17] T. Çalışır, S. Çalışkan, M. Kılıç, and Ş. Başkaya, “Çarpan akışkan jetleri kullanarak kanatçıklı yüzeyler üzerindeki akış alanının sayısal olarak incelenmesi,” J. Fac. Eng. Archit. Gazi Univ., vol. 32, no. 1, pp. 127–138, 2017.
• [18] A. Javadi, “Numerical study of an impinging jet in cross-flow within and without influence of vortex generator structures on heat transfer,” Heat Mass Transf. und Stoffuebertragung, vol. 56, no. 3, pp. 797–810, 2020.
• [19] M. A. R. Sharif and K. K. Mothe, “Evaluation of turbulence models in the prediction of heat transfer due to slot jet impingement on plane and concave surfaces,” Numer. Heat Transf. Part B Fundam., vol. 55, no. 4, pp. 273–294, 2009.
• [20] M. Faris, H. Kareem, R. Zulkifli, and Z. Harun, “Heat transfer and flow structure of multiple jet impingement mechanisms on a flat plate for turbulent flow,” Int. J. Mech. Mechatronics Eng., vol. 19, no. 3, pp. 141–160, 2019.