study of flow and heat transfer characteristics for radial...
TRANSCRIPT
(1)
การศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชน แบบไหลในแนวรศม
Study of Flow and Heat Transfer Characteristics for Radial Impinging Jet
วชระ มสกะ Watchara Musika
วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล
มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of
Master of Engineering in Mechanical Engineering Prince of Songkla University
2558 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร
(2)
ชอวทยานพนธ การศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลในแนว รศม
ผเขยน นายวชระ มสกะ
สาขา วศวกรรมเครองกล
อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก
.............................................................. (ผชวยศาสตราจารย ดร.ชยต นนทดสต)
อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม
.............................................................. (ดร.ภาสกร เวสสะโกศล)
คณะกรรมการสอบ
............................................ประธานกรรมการ
(ดร.ฐานนดรศกด เทพญา)
.............................................กรรมการ
(ผชวยศาสตราจารย ดร.ชยต นนทดสต)
.............................................กรรมการ
(ดร.ภาสกร เวสสะโกศล)
.............................................กรรมการ
(ดร.กตตนนท มลวรรณ)
.............................................กรรมการ
(รองศาสตราจารย ดร.จารวตร เจรญสข)
บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมมหาบณฑต สาขาวศวกรรมเครองกล ............................................................. (รองศาสตราจารย ดร.ธระพล ศรชนะ) คณบดบณฑตวทยาลย
(3)
ขอรบรองวา ผลงานวจยนเปนผลมาจากการศกษาวจยของนกศกษาเอง และไดแสดงความขอบคณบคคลทมสวนชวยเหลอ
ลงชอ…………………………………………………………..…..
(ผชวยศาสตราจารย ดร.ชยต นนทดสต) อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก
ลงชอ…………………………………………………………..…..
(ดร.ภาสกร เวสสะโกศล) อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม
ลงชอ…………………………………………………………..…..
(วชระ มสกะ) นกศกษา
(3)
ขาพเจาขอรบรองวา ผลงานวจยนไมเคยเปนสวนหนงในการอนมตปรญญาในระดบใดมากอน และไมไดถกใชในการยนขออนมตปรญญาในขณะน ลงชอ…………………………………………………………..…..
(วชระ มสกะ) นกศกษา
(5)
ชอวทยานพนธ การศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชน แบบไหลในแนวรศม
ผเขยน นายวชระ มสกะ สาขาวชา วศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2557
บทคดยอ
งานวจยนมจดประสงคเพอศกษาลกษณะการไหลและการถายความรอนของเจทพง
ชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม ในการทดลองก าหนดใหขนาดเสนผานศนยกลางภายในทอเจทมคา D=28.6 mm และตดตงเพลาทมขนาดเสนผานศนยกลาง d=12.7 mm ตามแนวศนยกลางทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบาน =30o, 60o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท นอกจากนไดศกษากรณเจทจากทอปกต (ทอทไมตดตงเพลา) เพอใชในการเปรยบเทยบผลการศกษา ส าหรบระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนไดปรบใหอยในชวง H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในการเปรยบเทยบผลการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทเทากนทกกรณโดยเทยบจากเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอปรกต Re=20,000 ในการวดการถายเทความรอนบนพนผวไดใชกลองถายภาพความรอนวดอณหภมบนพนผวทเจทพงชนและวดความดนทกระจายบนพนผวทเจทพงชนโดยใชเซนเซอรวดความดน ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลของเจทโดยใชวธค านวณพลศาสตรของไหล (ANSYS ver.13, Fluent) ศกษาลกษณะการไหลของเจทอากาศ และใชวธ Lacer Induced Fluorescence ศกษาลกษณะการไหลของเจทน า จากการศกษาพบวาทระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชน H=2Dh บรเวณทมอตราการถายเทความรอนสงของเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o มขนาดกวางกวากรณอนๆ และใหคาอตราการถายเทความรอนสงสด นอกจากนยงพบวากรณของเจททไหลในแนวรศมทมม =60o และระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชน H=4Dh เกดปรากฎการณอากาศทอยภายใตแทงทรงกรวยไหลออกจากบรเวณทเจทพงชน สงผลท าใหบรเวณดงกลาวมคานสเซลตนมเบอรต า
(5)
Thesis Title Study of Flow and Heat Transfer Characteristics for Radial Impinging Jet
Author Mr. Watchara Musika Major Program Mechanical Engineering Academic Year 2014
ABSTRACT
The aim of this research is to study flow and heat transfer characteristics of impinging jet from an annular pipe and a radial pipe. In the experiment, the inner diameter of nozzle pipe was D=28.6 mm, and a rod having diameter of d=12.7 mm was inserted into the center of nozzle pipe. For generating a radial jet, a solid cone with divergent angle of =30o, 60o and 90o was mounted at center of jet outlet. In addition, a conventional pipe (A pipe without inserting rod) was studied for comparing the results. A jet-to-plate distance was varied in the rage of H=2Dh, 4Dh, 6Dh and 8Dh where Dh is hydraulic diameter (Dh=D-d). For the comparison of results, the flow rate of jet for every cases was the same by respecting Reynolds number of conventional jet at Re=20,000. The heat transfer patterns on the impingement surface was measured by using used infrared camera to capture temperature distributions on the surface, and the pressure distributions on the impingement surface was measured by using pressure sensor. For the study of flow characteristics of the impinging jet, an air jet were investigated by using Computational Fluid Dynamics (ANSYS ver.13, Fluent), and a water jet was visualized by using Lacer Induced Fluorescence. The results showed that at the jet-to-plate distance of H=2Dh, the area of high heat transfer of radial jet with =90o was larger than the other cases, and its heat transfer rate was the highest. In addition, for the case of radial jet with =60o and the jet-to-plate distance of H=4Dh, it was found that the air which was under the solid cone leaked from impingement region. It cases to decrease heat transfer at that area.
กตตกรรมประกาศ ขอขอบพระคณ ผชวยศาสตราจารย ดร .ชยต นนทดสต อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ทคอยเสนอแนะแนวทาง และเสยสละเวลาในการด าเนนการท าวจยอยางใกลชด รวมถงการชวยตรวจสอบจดแกไขวทยานพนธจนถกตองสมบรณ ขอขอบคณ ดร.ภาสกร เวสสะโกศล อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม ดร.ฐานนดรศกด เทพญา ดร.กตตนนท มลวรรณ ดร.มกตาร แวหะย และ รองศาสตราจารย ดร.จารวตร เจรญสข ทใหค าแนะน า และขอเสนอแนะ ตรวจแกไขวทยานพนธ ใหถกตองสมบรณย งขน และขอขอบคณอาจารย บคลากรภายในภาควชาวศวกรรมเครองกล ตลอดจนทกทานทไมไดกลาวในทน ทมสวนชวยใหการท าวจยจนท าใหวทยานพนธฉบบนส าเรจสมบรณดวยด ขอขอบคณ บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร ทไดสนบสนนทนการท าวจย และคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทรทไดเออเฟอทนการศกษา และสถานทในการท าวจยในการท าวทยานพนธในครงน
วชระ มสกะ
สารบญ
หนา
บทคดยอ (5)
ABSTRACT (6)
กตตกรรมประกาศ (7)
สารบญ (8)
รายการภาพประกอบ (10)
ค าอธบายสญลกษณและค ายอ (11)
1. บทน า 1
1.1 ความส าคญและทมาของปญหา 1
2. วตถประสงคและขอบเขตของงานวจย 2
2.1 วตถประสงคของงานวจย 2
2.2 ขอบเขตของงานวจย 2
3. ขนตอนการวจย 3
3.1 โมเดลทใชในการศกษา 3
3.2 รายละเอยดชดทดลอง 4
3.3 การศกษาการถายเทความรอนบนพนผว 4
3.4 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน 6
3.5 การจ าลองการไหลดวยวธค านวณทางพลศาตรของไหล 7
3.6 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน 8
4. ผลการทดลองและอภปรายผล 10
สารบญ(ตอ)
4.1 การถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน 10
4.2 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน 14
4.3 การศกษาลกษณะการไหลของเจททพงชนพนผวโดยวธการจ าลองทางพลศาสตร 17
ของไหล
4.4 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน 20
5. สรปผลการทดลอง 22
5.1 สรปผลการวจย 22
5.2 ขอเสนอแนะ 23
บรรณณานกรม 24
ภาคผนวก ก. บทความส าหรบเผยแพร 1 26
ภาคผนวก ข. บทความส าหรบเผยแพร 2 30
ภาคผนวก ค. บทความส าหรบเผยแพร 3 37
ภาคผนวก ง. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis) 42
ประวตผเขยน 46
รายการภาพประกอบ หนา รปท 1 รปแบบโมเดลทใชในการศกษา ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 2 ไดอะแกรมของชดทดลองทใชในการศกษา ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 3 รายละเอยดผนงส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผว ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 4 อปกรณทใชในการวดการกระจายของความดนทตดตงบนผนงทเจทพงชน ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 5 โมเดลทใชในการจ าลองการไหล ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 6 การก าหนดเงอนไขขอบเขตของการไหล ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 7 แสดงชดทดลองทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 8 อปกรณทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 9 แสดงการเปรยบเทยบการกระจายนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนตามแนวศนยกลางทอเจทกบงานวจยอนๆ (ทเงอนไข H/d=6, เจทอากาศ, Re=23,000) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 10 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000,Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 11 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกรณเจททไหลในแนวรศมทมม
θ=60o และระยะ H=4Dh โดยเปลยนแปลงตามเวลา ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 12 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 13 นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC)ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 14 การกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (ผลจากการทดลอง, Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 15 การกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (ผลจากการจ าลองลกษณะการไหล, Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 16 การกระจายของความดนบนผนงพงชนจากการทดลองเทยบกบผลจากการจ าลองลกษณะการไหล(กรณของเจททไหลในแนวรศมθ=60 ทระยะ H=4Dh) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 17 แสดงลกษณะการไหลของเจทพงชนจากผลการล าลองลกษณะการไหล (Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 18 แสดงพลงงานเชงจลนแบบปนปวน (Turbulence kinetic energy) (Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 19 การถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนจากผลการทดลอง และลกษณะการไหลของเจทจากการจ าลองลกษณะการไหล (Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 20 ลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน (Re=4,000) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
รปท 21 ลกษณะการไหลของเจทน าบนผนงทเจทพงชนดวยวธเชงทศน (Re= 4,000) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา
ค าอธบายสญลกษณและค ายอ
หนวย สญลกษณค ายอ A คอ พนทของพนผวแลกเปลยนความรอน m2 d คอ ขนาดเสนผานศนยกลางของเพลาสแตนเลส m hD คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลกของทอเจท m D คอ ขนาดเสนผานศนยกลางภายในของทอเจท m H คอ ระยะจากปากทางออกทอเจทถงพนผวพงชน m ch คอ สมประสทธการพาความรอนแบบธรรมชาต W/m2
•oC
h คอ สมประสทธการพาความรอนเฉลยบนพนผวทเจทพงชน W/m2•oC
I คอ กระแสไฟฟาแบบกระแสตรงทจายใหกบแผนสเตนเลส A k คอ สมประสทธการน าความรอนของอากาศ W/m•
oC TKE คอ พลงงานจลนปนปวน (Turbulent Kinetic Energy) J/kg Nu คอ นสเซลทนมเบอร (Nusselt number) - LNu คอ นสเซลทนมเบอรทสญเสยจากการพาความรอนแบบธรรมชาต -
Nu คอ นสเซลทนมเบอรเฉลยบนพนผวถายเทความรอน - P คอ ความดนสถต (Static pressure) Pa Pr คอ แพลนดนมเบอร (Prandtl number) - lossedq คอ อตราการสญเสยความรอนจากการพาความรอนและการแผรงส W/m2 convectionq คอ อตราการสญเสยความรอนจากการพาความรอนแบบธรรมชาต W/m2 radiationq คอ อตราการสญเสยความรอนจากการแผรงสความรอน W/m2 r
คอ ระยะตามแนวรศมของทอเจท (Radius) m Re
คอ เรยโนลดนมเบอร (Reynolds number) - jT คอ อณหภมทปากทางออกเจท ๐C
sT คอ อณหภมภายในหองทดลอง ๐C
wT คอ อณหภมของแผนสเตนเลสทมการจายฟลกซความรอน ๐C
awT คอ อณหภมของแผนสเตนเลสเมอเจทพงชนในขณะทไมมการจายฟลกซความรอน
๐C
wT คอ อณหภมเฉลยบนพนผวทมการจายฟลกซความรอน ๐C
V คอ แรงดนไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส Volt
V คอ ความเรวเฉลย ณ ต าแหนงใดๆ m/s rmsV คอ ความเรวของรากก าลงสองเฉลย m/s stW คอ ความกวางของแผนสเตนเลส m Z,Y,X
คอ พกดของแกนอางองในการทดลอง (Coordinates) m
ค าอธบายสญลกษณและค ายอ (ตอ)
หนวย สญลกษณตวยอ ε คอ คาการแผรงสความรอน (Emissivity) - คอ คาความหนดคเนเมตก (Kinematic viscosity) m2/s คอ ความหนาแนนของอากาศ (Density) kg/m3
คอ คาคงทของสตเฟนและโบลซแมน (Stefan and boltzmann) W/m2•K4
สญลกษณตวหอย max คอ สงสดหรอมากสด (Maximum) - lossed คอ การสญเสยบนแผนสเตนเลส (Heat loss) - rms คอ คารากก าลงสองเฉลย (Root mean squared) - p คอ ความดน (Pressure) - s คอ ภาวะอากาศโดยรอบ (Surrounding) - st คอ แผนสเตนเลส (Stainless foil) - w คอ ผนงมการจายฟลกซความรอน (Wall heat flux) - aw คอ ผนงไมมการจายฟลกซความรอน (Wall no heat flux) - สญลกษณตวยก
คอ คาเฉลยของขอมล - คอ อตราการเปลยนแปลง (Rate) -
1
1. บทน ำ 1.1 ควำมส ำคญและทมำของปญหำ เจทไหลปะทะหรอเจทพงชนเปนเทคนคการแลกเปลยนความรอนหรอมวลสารระหวางของไหลกบพนผวทใชเจทของไหลทมความเรวสงจากปากทางออกไหลปะทะกบพนผวโดยตรง เนองจากการใชเจทไหลปะทะพนผวสามารถเพมอตราการถายเทความรอนหรอมวลสารไดสง โดยเฉพาะบรเวณทเจทไหลปะทะโดยตรง มผลท าใหการใหความรอนหรอระบายความรอนบนพนผวเกดรวดเรวขน ปจจบนมงานทางวศวกรรมจ านวนมากทใช ประยกตใช เจทไหลปะทะพนผว ตวอยางเชน การระบายความรอนภายในกงหนแกสเทอรไบนทมการใชกลมของเจทพงชนผนงดานในของกงหนเพอปองกนการเสยหายจากความรอนของแกสรอนทอยรอบใบกงหน เชนเดยวกบการระบายความรอนผนงของหองเผาไหม หรอการระบายความรอนในอปกรณอเลกโทรนกสทปจจบนใชเจทไหลปะทะจดรอนทเกดขนในอปกรณแทนการใชอากาศจากพดลมไหลผานจดรอน เนองจากอตราการเกดความรอนตอพนทเพมสงขน หรอในกระบวนการใหความรอน กระบวนการอบแหง หรอกระบวนการแชแขงผลตภณฑอาหารทตองการลดเวลาในกระบวนการผลต เปนตน
อยางไรกตามการใชเจทพงชนพนผวมขอดวย คอ ตองใชพลงงานปมหรอพดลมในการสรางเจททมความเรวสงเพอไหลปะทะพนผวใหไดอตราการถายเทความรอนทสงขนตามทตองการ นอกจากน อตราการถายเทความรอนมคาสงมากเฉพาะบรเวณศนยกลางทเจทพงชน (Stagnation point) เทานน และจะลดลงอยางรวดเรวตามแนวรศมเมอหางจากจดทเจทพงชน ท าใหเกดความไมสม าเสมอของการถายเทความรอนบนพนผว [1] จนถงปจจบนมงานวจยทน าเสนอวธการเพมความสามารถถายเทความรอนหรอมวลสารของเจทพงชน สามารถเพมอตราการถายเทความรอนหรอมวลสารบนพนผวใหสงขน โดยใชความเรวเจทเทาเดม ท าใหสามารถประหยดพลงงานทใชในปมหรอพดลมได เชน การปรบเปลยนปากทางออกของเจทเพอใหการถายเทความรอนบนพนผวสงขน
ลกษณะของปากทางออกเจทมผลตอการถายเทความรอนบนพนผวอยางมาก เชน ปากทางออกเจททขอบมนมผลท าใหการถายเทความรอนบนพนผวจะสม าเสมอขน แตทระยะพงชนนอยกวา 1D เทานน [2] ส าหรบเจทจากปากทางออกแบบชองสเหลยม (Slot nozzle) การถายเทความรอนบนพนผวกยงคงมลกษณะสงสดทจดพงชน (Stagnation point) และลดลงอยางรวดเรวตามแนวแกนทหางจากจดทเจทพงชนโดยตรงคลายกบเจททอปกต (Pipe nozzle) [3] สงผลใหการถายเทความรอนบนพนผวไมสม าเสมอ แตส าหรบเจทจากทอหนาตดแบบวงแหวน (Annular nozzle) นนสามารถเพมความสม าเสมอในการถายเทความรอนจากพนผว แตเมอระยะพงชนมากขน ความสามารถในการถายเทความรอนจะลดลงอยางรวดเรว [4] แตสามารถปรบปรงไดโดยการสอดใสแผนบด [5] และแผนบงคบการไหลทปากทางออก [6] ซงท าใหการถายเทความรอนเพมสงขนทระยะพงชนต า แตการถายเทความรอนลดลงเชนกนเมอระยะพงชนสงขน
นอกจากความสม าเสมอในการถายเทความรอนบนพนผว การเพมพนทในการถายเทความใหกวางขนจากแนวของทอเจทนนเปนสงส าคญเชนเดยวกน การตดตงตวบงคบใหเกดการไหลในแนวรศม (Radial jet nozzle) ซงเรยกวาเจทในแนวรศม โดยของไหลทไหลออกจากปากเจทจะบานออกในแนวรศม สงผลใหพนทถายเทความรอนเพมขน Neil Zuckerman และ Noam Lior [7] ไดแสดงความเรวในแนวรศมสงสดทระยะพงชนนอยทสด สงผลใหในกรณดงกลาวนความ
2
เขมขนของความปนปวนสงสดดวยเชนกน Potdar [8] เจททไหลในแนวรศมแบบเจาะรบนแผนกนจะเกดการไหลแบบหมนวนบนพนผวบรเวณในต าแหนงบรเวณทเจาะร ซ งจะไมปรากฏในกรณของเจททอปกต Peper และคณะ [9] ไดแสดงใหเหนวาเจทในแนวรศมสามารถเพมความสม าเสมอของพนผวถายเทความรอน ท าใหมการศกษาเพอประยกตใชในดานถายเทความรอน [10] รวมถงสทธบตรทแสดงการถอสทธเกยวกบอปกรณถายเทความรอนทประยกตเจทไหลในแนวรศม แตอยางกตาม จากเอกสารทไดทบทวนนน ยงขาดผลการศกษาทชชดถงมมของไหลทปากทางกบระยะของผนงพงชนทสามารถถายเทความรอนไดสงสด ดงนนในงานวจยนจงมแนวคดทจะศกษาผลของมมกรวยบงคบการไหลทตดตงบนปากทางออกเจทแบบวงแหวนทมตอลกษณะการไหลและการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน และเปรยบเทยบผลการศกษากบกรณทอเจทแบบปกตและทอเจทแบบวงแหวน (ไมตดตงกรวยบงคบการไหล) ทมพนทการไหลออกของเจทเทากน โดยก าหนดคาตวเลขเรยโนลดของการไหลคงทเทากบ Re=20,000
2
2. วตถประสงคและขอบเขตของงานวจย 2.1 วตถประสงคของงานวจย 2.1.1 ศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนจากปากทางออกเจทแบบวงแหวนทตดตงแทงกรวยบงคบการไหล และเปรยบเทยบผลกบกรณของหวฉดแบบทอธรรมดา 2.1.2 ศกษาผลของตวแปรมมของแทงกรวยบงคบการไหลและระยะหางจากปากทางออกทอเจทถงพนผวทเจทพงชน ทมลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนจากปากทางออกเจทแบบวงแหวนทตดตงแทงกรวยบงคบการไหล
2.2 ขอบเขตของงานวจย 2.2.1 ศกษาการไหลของเจทจากทอวงแหวนทตดตงและไมตดตงแทงกรวยบงคบการไหล และเจทจากทอธรรมดาทไหลพงชนตงฉากกบพนผว 2.2.2 ในการศกษาก าหนดใหอตราการไหลของเจทจากทอแตละแบบคงท โดยทคาเรยโนลดนมเบอร Re=20,000 เพอเปรยบเทยบผลการไหลและการถายเทความรอน 2.2.3 ศกษาผลของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh ตามล าดบ โดยท Dh คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลกของทอเจทวงแหวน 2.2.4 ศกษาผลของมมของแทงกรวยบงคบการไหลทมม 30o, 60o และ 90o 2.2.5 ศกษาลกษณะการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนโดยใชกลองอนฟราเรด (Infrared camera) วดการกระจายอณหภม 2.2.6 ศกษาลกษณะการไหล โดยใชโปรแกรมค านวณทางพลศาสตรของของไหล ANSYS version 13.0 (Fluent) 2.2.7 ศกษาการไหลของเจทพงชนโดยการวดการกระจายความดนบนผนงทเจทพงชน ดวย Pressure transducer 2.2.8 ศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน Laser Induced Fluorescence (LIF)
3
3. ขนตอนการวจย 3.1 โมเดลทใชในการศกษา รปท 1 แสดงโมเดลทอเจทแบบทอปรกต, แบบวงแหวนและแบบไหลในแนวรศมทใชในการทดลอง จากรปเจทไหลออกจากทอพงชนตงฉากกบพนผวก าหนดพกด X-Y อยบนพนผวตรงจดกงกลางทอและแกน Z อยในแนวเดยวกบการไหลของเจทตามทไดแสดงในรปท 1 โดยทอเจทแบบทอตรงท าจากทออะคลลกทขนาดเสนผานศนยกลางภายใน D=25.6 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ก) ทอเจทแบบวงแหวนสรางโดยสอดเพลาสแตนเลส ขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก d=12.7 mm ไวตรงกลางทอเหลกทมขนาดภายใน D=28.6 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ข) โดยทอเจทและเพลามความยาวเพยงพอทจะท าใหเกดการไหลแบบพฒนาตวกอนทอากาศจะไหลออกจากปากทางออกทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบานจากแนวแกนเจท =30o, 60 o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท โดยยดตดกบเพลาทอยตรงกลางทอเจท และก าหนดใหระยะจากปากทางออกทอเจทถงฐานของทรงกรวยมความสงคงทเทากบ 15 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ค) ส าหรบระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนไดปรบใหอยในชวง H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในทกการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทคงท โดยเทยบจากคาเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอตรงท /VDRe H = 20,000 โดยท V คอ ความเรวเฉลยและใช pitot tube วดความเรวลมทปากทางออก
(ก) กรณปรกต (ข) กรณทอวงแหวน (ค) กรณทอวงแหวนตดตงแทง กรวยบงคบการไหล
รปท 1 รปแบบโมเดลทใชในการศกษา
3.2 รายละเอยดชดทดลอง รปท 2 แสดงรายละเอยดของชดทดลองทใชในการศกษา เจทอากาศถกสรางจากการดดอากาศภายในหองทดลองโดยใชโบรเวอร แลวอากาศไหลผานออรรฟสเพอวดอตราการ
Impingement plateImpingement plate
15 mm
z
x
D = 28.6 mm
d = 12.7 mmd = 12.7 mm
Impingement plateImpingement plate
Hz
x
D = 28.6 mm
d = 12.7 mmd = 12.7 mm
H
Rod
Pipe
0
Impingement plateImpingement plate
Hz
x
D = 25.6 mm
Pipe
4
ไหลและควบคมอตราการไหลของอากาศโดยการควบคมความเรวรอบของมอเตอรใบพดดวยอนเวอรเตอร หลงจากนนอากาศจะไหลผานหองฮทเตอรเพอควบคมอณหภมของเจทอากาศใหคงทท 27+0.20C และไหลผานแผนตะแกรง 2 ชน เพอใหกระจายอณหภมตลอดหนาตดทอเจทสม าเสมอกอนทไหลผานไปยงทอเจททมความยาว 575 mm และไหลพงชนตงฉากกบพนผวโดยชดทดลองนถกออกแบบใหสามารถปรบระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนได โดยการเลอนผนงทเจทพงชนเขาออก
รปท 2 ไดอะแกรมของชดทดลองทใชในการศกษา
3.3 การศกษาการถายเทความรอนบนพนผว รปท 3 แสดงรายละเอยดผนงส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผวทเจทพงชน ส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผวไดใชแผนสเตนเลสบางทมความหนา 0.03 mm โดยแผนสเตนเลสนถกขงใหเรยบตงกบแผนพลาสตกหนา 15 mm ทเจาะหนาตางขนาด 240 mm x 240 mm ไวกลางแผน โดยใชแทงทองแดงยดแผนสเตนเลสไวทงสองขาง และแทงทองแดงทงสองนจะตอเขากบขวของตวจายกระแสไฟฟา เมอจายไฟฟากระแสตรงไหลผานแทงทองแดงไปยงแผนสเตนเลส จะเกดความรอนกระจายทวพนผวแผนสเตนเลส จากนนใชเจทพงชนพนผวท าการระบายความรอน เมอระบบเขาสสภาวะคงตว จงท าการบนทกคาการกระจายอณหภมบนพนผวแผนสเตนเลสดานตรงขามทเจทพงชนโดยใชกลองอนฟราเรดตรวจจบความรอน (Thermal infrared camera)
Blower
Manometer
Orifice
Power
controllerThermocouple Temperature
controller
Mesh plate
Movable impingement
plate
H
IR
camera
Pipe Nozzle
D = Nozzle diameter
H = Jet-to-plate distance
D
Inverter
Heater
chamber
Power
supply
Copper
bus bar
SUS304
foil
Screw
Acrylic
Black
paint
5
รปท 3 รายละเอยดผนงส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผว
ส าหรบอตราการเกดความรอนในแผนสเตนเลส สามารถค านวณไดจากความสมพนธดงน
A
IVqinput (1)
ในทน I คอกระแสไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส V คอแรงดนไฟฟาทตกครอมแผนสเตนเลส และ A คอ พนทของพนผวถายเทความรอน (แผนสเตนเลส) จากนนสามารถค านวณคาสมประสทธการพาความรอนเฉพาะจดบนพนผว (h) ไดจากสมการ
aww
natradinput
TT
qqqh
(2)
ในทน 44
swrad TTq และ swcnat TThq คอ ฟลกซการสญเสยความรอนทเกดจากการแผรงสและการพาความรอนแบบธรรมชาตบนผนงดานหลงของแผนสเตนเลส Taw คออณหภมของแผนสเตนเลสเมอเจทพงชนในขณะทไมมฟลกซความรอน, Tw คออณหภมของแผนสเตนเลสทมฟลกซความรอน และ Ts คออณหภมบรรยากาศโดยรอบ คานสเซลตนมเบอรบนพนผวค านวณไดจากความสมพนธ
k
hDNu h (3)
SUS304
foil
ScrewCopper
bus bar
Acrylic
Black paint
Power supply
Infrared camera
Movable impingement plate
Jet pipe
Y
Z
left right
6
โดยท h คอสมประสทธการพาความรอนของอากาศ k คอสมประสทธการน าความรอนของอากาศ และ Dh คอไฮโดรลคไดมเตอรเนองจากทอทกแบบมพนทหนาตดและอตราการไหลทเทากน จงใช Dh=15.9 mm (ทอเจทแบบวงแหวน)ในการเปรยบเทยบคานสเซลตนมเบอร 3.4 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน รปท 4 แสดงชดทดลองทใชในการวดการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน เพอศกษาลกษณะการไหลปะทะพนผวของเจทจากทอแบบตางๆ โดยผนงทเจทพงชนท าจากแผนอะครลกหนา 15 mm ตรงกลางแผนเจาะรส าหรบตดตง adaptor ทท าจากทองเหลองทมผวเสมอกบผวของผนงทเจทพงชน และเจาะร tap วดความดนขนาดเสนผานศนยกลาง 0.5 mm บนแทงทองเหลอง เพอตดกบเซนเซอรวดความดน (pressure transducer) จากรปผนงทเจทพงชนประกอบเขากบโตะควบคมการเลอนต าแหนงแบบ 1แกน (1D Transverse table) ดงรป โดยเครองวดความดนจะตอเขากบเครองคอมพวเตอรเพอแปลงสญญาณไฟฟาทไดจากเครองวดความดน (pressure transducer) เปนคาความดน และขอมลความดนในแตละจดจะถกบนทกลงคอมพวเตอร ส าหรบวธการวดการกระจายของความดนของเจทพงชน โดยก าหนดต าแหนงการวดการกระจายความดน ทระยะหางจากปากทางออก H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh ในการเคลอนทไปยงต าแหนงทตองการจะวดใชชดควบคมอตโนมตปรบต าแหนงการเคลอนท ในสวนของการปรบระยะพงชน จะปรบโดยการเลอนเขา-ออกแลวท าการยดใหแนน ในการเกบขอมลดวยคอมพวเตอรนนจะใชความถในการเกบขอมล (sample of frequency) 20 Hz และตวอยางในการเกบขอมล (Number of samples) เทากบ 400 และจะน าขอมลของการกระจายความดนทไดมาวเคราะหเพออธบายโครงสรางการไหลของเจทพงชน
รปท 4 อปกรณทใชในการวดการกระจายของความดนทตดตงบนผนงทเจทพงชน
Pressure transducer
7
3.5 การจ าลองการไหลดวยวธค านวณทางพลศาตรของไหล ในงานวจยนใชโปรแกรม ANSYS Ver.13 (Fluent) ในการจ าลองการไหลของเจทพงชน โดยแบบจ าลองทใชในงานวจยนเปนจ าลอง 3 มต (3D) ดงรปท 5 แสดงโมเดลทใชในการจ าลองการไหล โดยจ าลองโมเดลใหเหมอนกบการทดลองจรงทกประการ จากรปโมเดลประกอบดวย 2 สวนคอ สวนแรกเปนสวนทเปนทอเจท (Nozzle pipe) มขนาดเสนผานศนยกลางคงทเทากบ Dh= 15.9 mm ส าหรบเจททไหลในแนวรศมจะตดแทงทรงกรวยท ามม =30o, 60o, 90o สง 15 mm สวนทสองเปนสวนของบรเวณทเจทพงชนพนผว ( Impingement surface) มเสนผานศนยกลางเทากบ 35Dh และระยะจากปากทางออกทอเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh
รปท 5 โมเดลทใชในการจ าลองการไหล
กรดทใชในแบบจ าลองจะมลกษณะเปนลกบาศกสเหลยมผนผา บรเวณตรงกลางจากปากทางออกทอถงพนผวทเจทพงชนและพนทผวพงชนมความละเอยดสง ซงบรเวณดงกลาวตองการความละเอยดในการค านวณสง และบรเวณปากทางออกของเจทและพนทผวพงชนมลกษณะกรดเปนชนๆ ซงมความละเอยดสงจากปลายทงสองขาง และความละเอยดจะลดลงเมอหางจากบรเวณปากทางออกของเจทและพนผวทเจทพงชน ในขนตอนการสรางกรดน จะก าหนดพนผวของแบบจ าลอง เพอสรางเงอนไขขอบเขตทใชในการค านวณดงแสดงในรปท 6 ส าหรบวธการค านวณ ไดก าหนดอลกอรทมเปนแบบ SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) โดย รายละเอยดของ Spatial discretization ในแตละสมการทใชในการค านวณก าหนดเปนแบบ Second order upwind โดยก าหนดเงอนไขในการหยดประมวลผลทคาความผดพลาด (Residuals) เทากบ 1×10-5
H
100 mm
Contant heat flux
D = 28.6 mmd = 12.7 mm
575 mm
35Dh
15 mm
cone
8
รปท 6 การก าหนดเงอนไขขอบเขตของการไหล
3.6 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลของเจทน ามวตถประสงคเพอ เปรยบเทยบโครงสรางการไหลของเจทพงชนจากทอเจทแบบตางๆ โดยในการศกษาเลอกเรยโนลดนมเบอร Re=4,000 ซงเปนชวงความเรวของเจทน าทสามารถสงเกตลกษณะโครงสรางการไหลของเจทไดชดเจน โดยตน า (Water tank) ทใชในการศกษาท าจากกระจกแกวใสเพอใหสามารถสงเกตการไหลของเจทน าได ตน ามขนาดความกวาง 80 cm ยาว 200 cm และสง 80 cm ในการทดลองน าจะถกดดสงจากถงเกบน า (Jet water tank) ขนาด 120 ลตร โดยใชปมน า (Water pump) แบบหอยโขง หลงจากนนน าจะไหลผานวาลวปรบอตราการไหล (Main valve) และอปกรณวดอตราการไหลขนาด 0.37-3.78 ลตรตอนาท ไปยงทอพกน า (Jet chamber) เพอกระจายน าทเขามาใหมความเรวสม าเสมอตลอดพนทหนาตดทอกอนทจะไหลออกจากหวฉด (Nozzle pipe) โดยทอเจท (D) ทใชมขนาดใหญกวากรณทใชศกษาเจทอากาศ 2 เทา เพอใหสามารถสงเกตลกษณะการไหลไดชดเจน โดยทอเจททใชท าจากทอพวซ ดงรปท 7 บนทกภาพโดยใชกลองดจตอลวดโอท 30 เฟรมตอวนาท
Constant heat flux wall
Velocity inlet
wallPressure outlet
9
รปท 7 แสดงชดทดลองทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF)
รปท 8 อปกรณทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF)
ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลของเจทน าอสระดวยวธเชงทศนแสดงดง รปท 8โดยใชวธผสมสาร Rhodamine B (C28H31CIN2O3) ลงในถงน า (Fluorescent water tank) ซงสาร Rhodamine B มคณสมบตเรองแสง หลงจากนนฉดเจทน าทมสารเรองแสงลงไปในน าใสทอยในตน า(Transparent water tank) และใชแสงเลเซอรสองตดผานตรงกลางของล าเจทเพอดโครงสรางการไหลของเจท ซงชดอารกอนเลเซอร (Argon laser) ทใชในการทดลองขนาด 500 mW ล าเจทเมอ
Flow meter
Main valve
Bypass valve
Water pump
Drain pipe
Laser sheet Nozzle pipe
Support
H
Test section Transparent water tank Fluorescent water tank
Pipe
Laser
กลองดจจตอลน าผสมสารเรองแสง
Jet pipe
ชดกรองน า
10
กระทบกบแสงเลเซอรจะเกดการเรองแสงขนจงสามารถมองเหนล าเจทไดอยางชดเจน และใช กลองดจตอลวดโอบนทกภาพลกษณะการไหลของเจทน า ซงจะสามารถมองเหนโครงสรางการไหลของเจทไดอยางชดเจน
10
4. ผลการทดลองและอภปรายผล 4.1 การถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน ในเบองตน ไดท ำกำรทดลองเพอเทยบอตรำกำรถำยเทควำมรอนบนพนผวทเจทพงชนกบงำนวจยในอดต รปท 9 แสดงกำรเปรยบเทยบกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกบงำนวจยอนๆ ทเงอนไขระยะจำกปำกทำงออกของเจทถงพนผวพงชน H/d=6 เรยโนลดนมเบอร Re=23,000 ขนำดเสนผำนศนยกลำงของทอเจท d=17.2 mm ซงใกลเคยงกนกบงำนวจยอนๆ โดยภำพรวมพบวำ ลกษณะกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรใกลเคยงกบงำนวจยในอดต โดยเฉพำะผลจำกกำรทดลองของ Lytle และ Webb [11], Gao และคณะ [12] และงำนวจยของ Gulati [13]
รปท 1 แสดงกำรเปรยบเทยบกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนตำมแนวศนยกลำง
ทอเจทกบงำนวจยอนๆ (ทเงอนไข H/d=6, เจทอำกำศ, Re=23,000)
รปท 10 ไดแสดงกำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนใน 5 กรณคอ เจทจำกทอปรกต เจทจำกทอวงแหวน เจทจำกทอทไหลในแนวรศมท ำมม θ เทำกบ 30, 60 และ 90 องศำ ในกรณของเจททอปรกต นสเซลตนมเบอรทระยะพงชน H=2Dh (รปท 10(a)) จะมคำสงสดทต ำแหนงจดศนยกลำงกำรชน ซงอยในแนวศนยกลำงทอเจท และคอยๆลดลงตำมระยะทหำงออกจำกแนวกงกลำงทอเจทหลงจำกนนจะเพมขนสงอกครง (Secondary peak) เปนรปวงแหวนทต ำแหนง X/Dh=3 เชนเดยวกนกบระยะพงชน H=4Dh (รปท 10(f)) ลกษณะกำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรจะมรปแบบทเหมอนกนแตจะมคำนสเซลตนมเบอร ต ำกวำทระยะพงชน H=2Dh (รปท 10(a)) และเรมลดลงอกทระยะพงชน H=6Dh และ 8Dh (รปท 10(k) และ (p)) จะไมปรำกฏคำนสเซลตนมเบอรเพมขนสงอกครง (Secondary peak) นอกจำกนยงพบวำบรเวณทมคำนสเซลตนมเบอรสงจะมบรเวณทแคบลง ในกรณของเจทวงแหวน ทระยะพงชนต ำสด H=2Dh (รปท 10(b)) กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรมคำต ำทต ำแหนงกงกลำงทอเจท ซงเปนผลมำจำกกำรสอดเพลำภำยในทอเจท
เจทยงไมเกดกำรรวมตวกอนไหลพงชนพนผว บรเวณทมกำรถำยเทควำมรอนสงเปนรปวงแหวนตำม
r/d
-6 -4 -2 0 2 4 6
Nuss
elt n
umbe
r, Nu
0
50
100
150
200
250
Nu
X/d
Y
d
6dZBaughn and Shimizu [21]Present results
Gulati et al. [19]Lee et al. [20]Gao et al. [6]Lytle and Webb [18][11]
[12]
[14]
[13]
[15]
11
ลกษณะของหนำตดทอเจท เมอระยะพงชนเพมขนเปน H=4Dh (รปท 10(g)) บรเวณทมอตรำกำรถำยเทควำมรอนต ำทต ำแหนงกงกลำงทอเจทมขนำดเลกลง เนองจำกเจทเกดกำรรวมตวมำกขนกอนพงชนพนผวและเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dh คำนสเซลตนมเบอรสงสดจะลดลงตำมล ำดบ แตคำสงสดจะเกดขนทจดศนยกลำงแนวทอเจท
รปท 2 กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000,Tj=27oC)
ส ำหรบเจทไหลในแนวรศม ทระยะพงชน H=2Dh คำนสเซลตนมเบอรสงสดมลกษณะเปนวงแหวนและทจดศนยกลำงแนวทอเจทไมใชต ำแหนงคำนสเซลตนมเบอรสงสด โดยพนทของวงแหวนจะเพมขนตำมมม θ ทเพมขน แตพนทศนยกลำงวงแหวนทมคำนสเซลนมเบอรต ำกวำมขนำดเพมขนเชนกน ท ำใหในกรณของมม θ=90 องศำ พนทวงแหวนและคำนสเซลตนมเบอรจะมคำมำกทสด และลดลงตำมแนวรศมทเพมขน เมอระยะพงชนเพมเปน H=4Dh ทมม θ=30 องศำ คำนสเซลนมเบอรสงสดจะลดลง แตยงปรำกฏลกษณะวงแหวน แตจะมคำใกลเคยงกบจดศนยกลำง และเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dh จดศนยกลำงจะมคำนสเซลตนมเบอรสงสด แตจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขน ส ำหรบกรณมม θ=60o ทระยะพงชน H=4Dh กำรกระจำยตวของคำนสเซลตนมเบอรจะไมสมมำตร โดยมลกษณะเปนวงแหวนทหำยไปบำงสวน และเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dh จดศนยกลำงจะมคำนสเซลตนมเบอรสงสด แตจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขน ในกรณ มม θ=90o เมอระยะพงชนเพมเปน H=4Dh คำนสเซลตนมเบอรสงสดมลกษณะเปน
-4 0 2 4-2X/Dh
-6 6-4 0 2 4-2X/Dh
-6 6-4 0 2 4-2X/Dh
-6 6
-4 0 2 4-2X/d
X/d
-4 0 2 4-2X/Dh
-6 6
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
Nu
H=
2D
hH
=4
Dh
H=
6D
hH
=8
Dh
Radial jet θ=60oRadial jet θ=30oAnnular jet Radial jet θ=90o
(b) (c) (d) (e)
(g) (h) (i) (j)
(l) (m) (n) (o)
(q) (r) (s) (t)
-4 0 2 4-2X//Dh
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6 6-6
6
-4 0 2 4-2X//Dh
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6 6-6
6
-4 0 2 4-2X//Dh
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6 6-6
6
-4 0 2 4-2X/Dh
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6 6-6
6
Conventional jet
(a)
(f)
(k)
(p)
12
วงแหวนยงปรำกฏอย แตมคำลดลง และเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dhคำนสเซลตนมเบอรจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขนอยำงมำก ส ำหรบเจททไหลในแนวรศมกรณมม θ=60o และ H=4Dh ตำมทไดแสดงในรปท 10(i) นนพบวำลกษณะบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคำสง (Nu≥90) ไมเปนวงแหวน จำกกำรวดคำนสเซลตนมเบอรทเปลยนแปลง จำก t1 ถง t8 เมอ t คอเวลำทหำงกน1วนำท พบวำลกษณะกำรกระจำยของคำนสเซลนมเบอรไมเปลยนแปลงตำมเวลำตำมทไดแสดงในรปท 11 ซงจะไดอธบำยปรำกฏกำรณนในสวนลกษณะกำรไหลตอไป
รปท 3 กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกรณเจททไหลในแนวรศมทมม θ=60o
และระยะ H=4Dh โดยเปลยนแปลงตำมเวลำ
รปท 12 แสดงกำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน ทต ำแหนงพงชน H=2Dh กรณของเจทจำกทอปรกตจะมคำสงสดทจดศนยกลำงแนวทอเจทประมำณ 130 และเรมลดลงตำมแนวรศมทเพมขน โดยทระยะ r/Dh=3 คำนสเซลนมเบอรจะมคำสงสดอกครง (Secondary peak) และเรมลดลงอกครงเมอระยะหำงตำมแนวรศมเพมขน ในขณะทกรณของเจทจำกทอวงแหวน และเจทจำกทอไหลในแนวรศม จะมคำสงสด 2 ต ำแหนงทงขำงของจดศนยกลำง โดยกรณของเจทวงแหวนจดสงสดของนสเซลตนมเบอรเกดขนใกลกบจดศนยกลำงทสด ถดไปเปนเจทไหลในแนวรศมท ำมม θ=30, 60 และ 90 องศำ ตำมล ำดบ โดยทเจทไหลในแนวรศมท ำมม θ=90 องศำ จะมคำนสเซลตนมสงกวำทกกรณ ซงนสเซลตนมมคำสงสดสงกวำเจททอปรกตประมำณ 30 เปอรเซนต ทระยะพงชน H=4Dh เจททอปรกตยงคงมคำนสเซลนมเบอรสงสดทจดศนยกลำง ในขณะทกรณอนๆ มคำสงสด 2 ต ำแหนงทงขำงของจดศนยกลำงเชนเดม แตกรณของเจทไหลในแนวรศมมม θ=90 องศำ มคำนสเซลนมเบอรต ำทสด โดยเจทจำกทอวงแหวนจะมคำสงสดรองลงเปนเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=30 องศำ เจทจำกทอวงแหวน และเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=60 องศำ ตำมล ำดบ เมอระยะพงชนเพมขนเปน H=6Dh และ 8Dh กรณของเจทจำกทอปรกตจะมคำนสเซลนมเบอรสงสด รองลงมำเปนเจทจำกทอวงแหวน และเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=30, 60 และ 90
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6
6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
-6 6
-6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6
6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6 6
-6
6-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6
-6
6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6 6
-6
6-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Z/D
h
-6-6
6
X/Dh X/Dh
X/Dh
-4 0 2 4-2
X/Dh
0
-2
-4
2
4
Z/D
h
-6 6-6
6
X/Dh
150140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
Nut1 t2 t3 t4
t7t6t5t8
13
องศำ ตำมล ำดบ ส ำหรบในกรณเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=90 องศำ คำนสเซลนมเบอรทระยะพงชนต ำแหนงดงกลำวนจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขนเปนอยำงมำก
รปท 4 กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)
รปท 13 แสดงนสเซลนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชนทคดคำเฉลยในชวงบรเวณ 0≤r/Dh≤1, 0≤r/Dh≤2, 0≤r/Dh≤3 และ 0≤r/Dh≤4 โดยนสเซลนมเบอรเฉลยหำโดยน ำอณหภมเฉลยในบรเวณทค ำนวณไปแทนในสมกำรท (2) จะไดคำสมประสทธกำรพำควำมรอนเฉลย ( h ) จำกนนน ำคำสมประสทธกำรพำควำมรอนเฉลย( h ) ไปแทนในสมกำรท (1) จะไดคำนสเซลนมเบอรเฉลย จำกรปแนวโนมของนสเซลตนมเบอรเฉลยลดลงตำมกำรเพมขนของระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชน (H) เมอพจำรณำบรเวณ 0≤r/Dh≤1 และ 0≤r/Dh≤2 ทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 13 (a) และ (b)) นสเซลนมเบอรเฉลยของเจทจำกทอวงแหวนมคำสงกวำเจททไหลในแนวรศมเนองจำกนสเซลตนมเบอรบรเวณศนยกลำงทอเจทกรณเจททไหลในแนวรศมมคำต ำ ซงเกดจำกผลของกำรตดทรงกรวยทปำกทำงออกเจท เมอพจำรณำบรเวณ 0≤r/Dh≤4 ทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 13 (d)) พบวำนสเซลนมเบอรเฉลยของเจทจำกทอทไหลในแนวรศมทกกรณมคำสงกวำเจทจำกจำกทอวงแหวน
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8N
u
40
60
80
100
120
140
160
180
200(b) H = 4D
h
r/Dh
-6 -4 -2 0 2 4 6
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(a) H = 2D
h
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Radial jet =90o
Radial jet =60o
Radial jet =30o
Annular jet
Conventional jet
(d) H = 8Dh
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(c) H = 6D
hRadial jet =90
o
Radial jet =60o
Radial jet =30o
Annular jet
Conventional jet
14
รปท 5 นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC)
4.2 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน รปท 14 แสดงผลกำรกระจำยควำมดนทไดจำกกำรทดลองบนพนผวทเจทพงชนทต ำแหนง X/Dh ตำงๆ ทเรยโนลดนมเบอรเทำกบ 20,000 พบวำกรณระยะพงชนพนผว H=2Dh ผลของควำมดนสงสดของเจทจำกทอปรกตเกดขนทต ำแหนงจดศนยกลำงของทอเจทซงเกดขนเพยงจดเดยว สวนควำมดนของเจทจำกทอวงแหวนและจำกทอในแนวรศมเกดควำมดนสงสดขน 2 ต ำแหนงซงเกดหำงจำกจดศนยกลำงทอเจทออกไปในต ำแหนง X/Dh โดยทต ำแหนงระยะหำงจำกศนยกลำงทเกดควำมดนสงสดเกดขนในกรณเจทจำกทอไหลในแนวรศมท ำมม θ=90o, 60o, 30o และเจทจำกทอวงแหวนตำมล ำดบ กรณทระยะพงชนพนผว H=4Dh (รปท 14(b)) พบวำลกษณะกำรกระจำยควำมดนคลำยกบกรณทเงอนไข H=2Dh (รปท 14(a)) แตคำควำมดนสงสดมคำลดลง และคำควำมดนสงสดลดลงเมอระยะพงชนเพมขนเปน H=6Dh และ 8Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140 (b) 0<r<2Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140 (a) 0<r<1Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140
Radial jet =90o
Radial jet =60o
Radial jet =30o
Annular jet
Conventional jet
(d) 0<r<4Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140
Radial jet =90o
Radial jet =60o
Radial jet =30o
Annular jet
Conventional jet
(d) 0<r<4Dh
15
รปท 6 กำรกระจำยควำมดนบนพนผวทเจทพงชนทต ำแหนงศนยกลำงทอเจท (ผลจำกกำรทดลอง,
Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)
รปท 15 แสดงผลกำรกระจำยควำมดนบนพนผวทเจทพงชนทไดจำกจ ำลองลกษณะกำรไหลทคำเรยโนลดนมแบอรเทำกบ 20,000 จำกรปพบวำลกษณะกำรกระจำยควำมดนคลำยกบกรณทไดจำกกำรวดตำมทไดแสดงในรปท 14 นอกจำกนยงพบวำ ผลลกษณะกำรกระจำยควำมดนทงสองกรณสอดคลองกบกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรบนพนผวตำมแนวศนยกลำงทอเจทตำมทไดแสดงในรปท 12
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
(b) H = 4Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
(a) H = 2Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssure
(P
a)
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
Annular jet
Radial jet =30o
Radial jet =60o
Radial jet =90o
Conventional
(d) H = 8Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
(c) H = 6Dh
Annular jet
Radial jet =30o
Radial jet =60o
Radial jet =90o
Conventional
16
รปท 7 กำรกระจำยควำมดนบนพนผวทเจทพงชนทต ำแหนงศนยกลำงทอเจท (ผลจำกกำรจ ำลอง
ลกษณะกำรไหล, Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)
รปท 16 แสดงกำรกระจำยของควำมดนบนผนงพงชนจำกกำรทดลองเทยบกบผลจำกกำรจ ำลองลกษณะกำรไหลในกรณของเจททไหลในแนวรศม θ=60 ทระยะ H=4Dh ซงพบวำมคำใกลเคยงกนแสดงวำผลจำกำรจ ำลองกำรไหลมควำมนำเชอถอ
รปท 8 การกระจายของความดนบนผนงพงชนจากการทดลองเทยบกบผลจากการจ าลองลกษณะ
การไหล(กรณของเจททไหลในแนวรศมθ=60 ทระยะ H=4Dh)
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100
(b) H = 4Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100
(a) H = 2Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100Annular
Radial jet 30
Radial jet 60
Radial jet 90
(d) H = 8Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pre
ssu
re (
Pa
)
-20
0
20
40
60
80
100
(c) H = 6Dh
X/Dh
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-20
0
20
40
60
80
100
120
140Radial jet =60
CFD Radial jet = 60
Pre
ssure
(P
a)
17
4.3 การศกษาลกษณะการไหลของเจททพงชนพนผวโดยวธการจ าลองทางพลศาสตรของไหล
รปท 17 แสดงลกษณะกำรไหลของเจททไดจำกผลกำรจ ำลองลกษณะกำร ไหลกรณเจทไหลจำกทอปรกตทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำH=2Dh (รปท17(a)) เจททไหลออกจำกทอเจทจะพงชนพนผวทนทท ำใหเกดบรเวณทนสเซลตนมเบอรสงหลงจำกพงชนผนงจะเกดกำรเปลยนแปลงกำรไหลจำกแบบรำบเรยบเปนแบบปนปวนท ำใหคำนสเซลตนมเบอรสงขนอกครง(Secondary peak) บรเวณ H/Dh =3 ควำมเรวของเจทลดลงตำมระยะหำงทเพมขนจำกแนวกงกลำงทอเจท เมอระยะพงชนสงขน H≥4D (รปท 17(f), (k) และ (k)) เจททออกจำกหวฉดจะถกเฉอนดวยอำกำศรอบล ำเจทท ำใหเจทมควำมเรวสงเฉพำะบรเวณกงกลำงทอเจทซงสอดคลองคำนสเซลตนมเบอรเฉพำะตรงจดกงกลำงทอเจท กรณเจทจำกทอวงแหวนทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 17(b)) เจทไหลออกจำกทอวงแหวนพงชนพนผวทนท จดทเจทไหลตกกระทบท X/Dh
±1.5 ซงสอดคลองกบต ำแหนงทนสเซลตนมเบอรมคำสงสดตำมทไดแสดงในรปท 10(b) เมอระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขนH≥4D (รปท 17(g), (l) และ (q)) พบวำเจทไหลรวมตวกอนทจะพงชนพนผว ซงเปนสำเหตทท ำใหนสเซลตนมเบอรบรเวณทต ำแหนงศนยกลำงทอมคำเพมขนเมอเทยบกบทระยะ H=2Dh กรณเจททไหลในแนวรศมทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำH=2Dh (รปท 17(c), (d) และ (e)) เจทเกดกำรแยกตวและไหลตกกระทบพนผวหำงออกจำกจดศนยกลำงทอเจทมำกขนเมอมม θ เพมขน ซงสอดคลองกบต ำแหนงทนสเซลตนมเบอรมคำสงสดตำมทไดแสดงในรปท 10(c), (d) และ (e) เมอระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D เจทไหลแยกตวออกจำกกนและมสวนทไหลกระทบพนผวนอย ท ำใหกำรถำยเทควำมรอนลดลงและสงเกตเหนบรเวณทมควำมเรวต ำใตแทงกรวยทตดตงทปำกทำงออกของทอเจทเพอสรำงเจทวงแหวนเมอมม θ เพมขนบรเวณควำมเรวต ำใตแทงกรวยเพมขนตำม ซงเปนผลของกำรตดแทงกรวยท ำใหล ำเจทเลยวเบนตำมมมตำงๆในแนวรศม กรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o พบวำ ลกษณะกำรไหลคลำยกบกรณเจทจำกทอวงแหวน ซงสอดคลองกบกำรถำยเทควำมรอนบนพนผวกรณเจททไหลออกจำกทอวงแหวน (รปท 10(a), (e), (i) และ (m)) มลกษณะคลำยกบกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o เชนกน (รปท 10(b), (f), (j) และ (n)) เจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o จะเรมเกดกำรรวมตวของล ำเจททระยะพงชนพนผว H=6Dh แตเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=60o จะเรมเกดกำรรวมตวของล ำเจททระยะพงชนพนผว H=8Dh ในสวนของเจททไหลในแนวรศมทเงอนไขมม θ=60o ระยะพงชนพนผว H=4Dh ควำมเรวใตแทงกรวยจะแตกตำงจำกกรณอนๆเนองดวยบรเวณกงกลำงทอจะมควำมเรวคอนขำงสง
18
รปท 9 แสดงลกษณะกำรไหลของเจทพงชนจำกผลกำรล ำลองลกษณะกำรไหล (Re=20,000,
Tj=27oC)
รปท 18 แสดงพลงงำนจลนแบบปนปวน (Turbulence kinetic energy)พบวำกรณจำกเจททอปรกต(รปท 18(a), (f), (k) และ (p))เจททออกจำกหวฉดเกดกำรเฉอนกนกบอำกำศนงทอยรอบล ำเจทท ำใหรอยตอทมกำรเฉอนนนเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสงกวำบรเวณอนๆ กรณเจทจำกทอวงแหวนทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 18(b)) เจททออกจำกหวฉดจะพงชนพนผวโดยตรงท ำใหเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสงในบรเวณทเจทพงชน เมอระยะพงชนสงขน H≥4D (รปท 18(g), (l) และ (q)) เจททออกจำกหวฉดจะเกดกำรเฉอนกบอำกำศนงทอยรอบล ำเจทดำนนอกและอำกำศทอยกงกลำงทอเจทท ำใหเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสง 2บรเวณ คอบรเวณรอบล ำเจทดำนนอกและบรเวณกงกลำงแนวกงกลำงทอเจท กรณเจททไหลในแนวรศมทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำH=2Dh (รปท 18(c), (d) และ (e)) เจทเกดกำรไหลตกกระทบพนผวหำงออกจำกจดศนยกลำงทอเจทมำกขนเมอมม θ เพมขน โดยกำรเพมขนของมมท ำใหเจทเกดกำรเฉอนกบอำกำศไดมำกขนสงผลใหเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสง โดยคำสงสดเกดทกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=90o (รปท 18(e))ซงบรเวณดงกลำวสอดคลองกบต ำแหนงทมคำนสเซลตนมเบอรสงสด (รปท 10(e)) เมอระยะ
พงชนสงขน H≥ 4D เจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o และ60o (รปท 17(h), (i),(m),(n), (r) และ (s))จะพบบรเวณทมพลงงำนจลนแบบปนปวนสงใตแทงกรวย ซงบรเวณดงกลำวเปนทพบโครงสรำงกำรไหลแบบหมนวนกอนทเจทจะรวมตวกนแลวพงชนพนผว สวนเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=90o(รปท 18(j), (o) และ (t)) เจทจะไหลออกจากหวฉดจะเกดการผสมกบอากาศท
อยรอบๆจนท าใหพลงงำนจลนแบบปนปวน มคำนอยกวำเจททไหลในแนวรศมเงอนไขอนๆ
X/Dh
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh
Y/D
hY
/Dh
Y/D
h
Z/D
h
43
21
0
Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90oH
=8
Dh
H=
6D
hH
=4
Dh
H=
2D
h
(b)
Velocity (m/s)
18.0
16.4
14.8
13.2
11.6
10.0
8.4
6.8
3.6
2.0
5.2
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
(c) (d) (e)
(h) (i) (j)
(l) (m) (n) (o)
(q) (r) (s) (t)
21
0
Z/D
h
(g)
(a)
(f)
Conventional jet
Z/D
h
65
43
21
0
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
Z/D
h
87
65
43
21
0
(p)
(k)
19
รปท 10 แสดงพลงงานเชงจลนแบบปนปวน (Turbulence kinetic energy) (Re=20,000,
Tj=27oC)
รปท 19 แสดงลกษณะกำรกระจำยของคำนสเซลนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนจำกกรณทอวงแหวนทเงอนไข θ=60o องศำ ระยะพงชน H=4Dh จำกรป กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรไมสมมำตรโดยขำดไปบำงสวน เมอเทยบกบลกษณะกำรไหลของเจทจำกผลกำรจ ำลองกำรไหลพบวำ ลกษณะกำรไหลของเจทกอนพงชนพนผวมลกษณะไมสมมำตรเชนเดยวกนเมอเทยบกบลกษณะกำรถำยเทควำมรอนบนพนผวของเจท ซงเกดจำกทเงอนไขดงกลำวน อำกำศทอยดำนลำงกรวยไหลออกแทรกผำนแนวกำรไหลของเจททพงออกมำจำกปำกทำงออก ท ำใหกำรไหลสวนนขวำงกำรปะทะของเจทกบพนผว สงผลท ำใหบรเวณดงกลำวมคำนสเซลนมเบอรต ำกวำแนววงแหวน
รปท 11 กำรถำยเทควำมรอนบนพนผวทเจทพงชนจำกผลกำรทดลอง และลกษณะกำรไหลของเจท
จำกกำรจ ำลองลกษณะกำรไหล (Re=20,000, Tj=27oC)
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh
Y/D
h
Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90oH
=8
Dh
H=
6D
hH
=4
Dh
H=
2D
h
(b)
TKE (J/kg)
14.0
12.8
11.6
10.4
9.2
8.0
6.8
5.6
3.2
2.0
4.4
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
(c) (d) (e)
(g) (h) (i) (j)
(l) (m) (n) (o)
(q) (r) (s) (t)
21
0
Z/D
h (a)
Conventional jet
10
23
4
Z/D
h
(f)
Z/D
h
65
43
21
0
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
Z/D
h
87
65
43
21
0
(p)
(k)
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
Z/D
h
X/Dh
-4 0 2 4-2
X/d
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6 6
-6
6
-4 0 2 4-2
X/d
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6 6
-6
6
การไหลในระนาบ xz yzการไหลบนผนงพงชน
Nu
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
Z/D
h
Y/Dh
X/Dh
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh
Y/D
hY
/Dh
Y/D
h
Z/D
h
43
21
0
Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90o
H=
8D
hH
=6
Dh
H=
4D
hH
=2
Dh
(b)
Velocity (m/s)
18.0
16.4
14.8
13.2
11.6
10.0
8.4
6.8
3.6
2.0
5.2
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
(c) (d) (e)
(h) (i) (j)
(l) (m) (n) (o)
(q) (r) (s) (t)
21
0
Z/D
h
(g)
(a)
(f)
Conventional jet
Z/D
h
65
43
21
0
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
Z/D
h
87
65
43
21
0
(p)
(k)
20
4.4 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน รปท 20 และ 21 แสดงลกษณะกำรไหลของเจทน ำทไดจำกกำรทดลองโดยใชวธ Lacer Induced Fluorescence ทเรยโนลดนมเบอร Re=4,000 กรณของเจทจำกทอเปลำทระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 20(a)) ล ำเจททไหลออกจำกทอพงชนพนผวทนท เมอระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนเพมขนเปน H≥4Dh (รปท20 (f), (k) และ (p)) เจทเกดกำรไหลแบบปนปวนเพมขนตำมระยะหำงกอนพงชนพนผว ส ำหรบกรณเจทจำกทอวงแหวนและจำกทอทบงคบใหเจทไหลในแนวรศมทระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 20 (b), (c), (d) และ (e)) พบวำเจทจำกทอวงแหวนและเจททไหลในแนวรศมมบรเวณทเจทพงชนพนผวกวำงกวำเมอเทยบกบเจทจำกทอเปลำทระยะพงชนเดยวกน
ส ำหรบทเงอนไขระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนสง H≥4Dh พบวำ เจทจำกทอวงแหวนและทอทบงคบใหไหลในแนวรศม เกดกำรรวมตวกอนพงชนพนผว ซงแตกตำงจำกกรณเจทจำกทอปรกตทไมมกำรไหลแบบแยกตว เจททไหลออกจำกทอทบงคบใหไหลในแนวรศมเกดกำรไหลแบบเอยง ท ำใหเกดกำรผสมกนไดมำกกวำ ส ำหรบกรณเจทจำกทอทบงค บใหไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o พบวำ ผลของมมเอยงมำกสดท ำใหล ำเจทเอยงเฉอนกบของไหลเกดควำมปนปวนทกวำงมำกกวำในทกกรณท ำใหเมอระยะพงชนเพมขน แทบไมมล ำของเจทพงชนพนผวซงจะสงเกตไดจำกรปท 20 (o) และ (t)
21
รปท 12 ลกษณะกำรไหลของเจทน ำดวยวธเชงทศน (Re=4,000)
จำกรปท 21 แสดงลกษณะกำรไหลของเจทน ำบนพนผวทเจทพงชน จำกรปพบวำในกรณของเจททอปรกต กำรไหลของเจทบนพนผวมลกษณะเปนวงกลม โดยทกๆระยะจำกจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนมควำมแตกตำงไมมำกนก ส ำหรบกรณของเจทจำกทอวงแหวนและทอทบงคบใหไหลในแนวรศมทเงอนไข θ =30o ลกษณะบรเวณทเจทตกกระทบบนพนผวกวำงกวำกรณเจทจำกทอเปลำทกๆระยะจำกจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชน ส ำหรบกรณ เจทจำกทอบงคบใหไหลในแนวรศมทเงอนไข θ =60o และ 90o พบวำทเงอนไขระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 21 (d) และ (e)) กำรไหลของเจทบนพนผวมลกษณะเปนวงแหวน แตเมอระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนสง H≥4Dh พบวำ ไมสำมำรถระบบรเวณทเจทพงชนพนผวได (รปท 21 (i), (J), (n), (o), (s) และ (t))
Radial jet θ=90o2D
hAnnular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o
1
2
3
Z/D
h
012
-2-1
Y/Dh
1
2
3
Z/D
h
012
-2-1
Y/Dh
1
2
3
4
Z/D
h
012
-2-1
Y/Dh
0
1
2
3
Z/D
h
012
-2-1
Y/Dh
012
-2-1
Y/Dh
Z/D
h
012
-2-1
Y/DhZ
/Dh
012
-2-1
Y/Dh
Z/D
h
012
-2-1
Y/Dh
Z/D
h
Y/Dh
Z/D
h
Y/Dh
Z/D
h
Y/Dh
Z/D
h
Y/Dh
Z/D
h
0
1
2Z
/Dh
Conventional jet
0
1
2
3
4
Z/D
h
012
-1
Y/Dh
012
-2-1
Y/Dh
Z/D
h
Y/Dh
Z/D
h
4D
h6D
h8D
h
(a) (b) (c) (d) (e)
(f) (g) (h) (i) (j)
(k) (l) (m) (n) (o)
(p) (q) (r) (s) (t)
22
รปท 13 ลกษณะกำรไหลของเจทน ำบนผนงทเจทพงชนดวยวธเชงทศน (Re= 4,000)
22
5. สรปผลการทดลอง 5.1 สรปผลการวจย
งานวจยนไดศกษาลกษณะการไหลและถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม โดยเทยบผลการศกษากบเจทจากทอปรกต จากผลการศกษาสรปไดวา
5.1.1 กรณเจทจากทอวงแหวนและเจทจากทอทบงคบใหเจทไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh พบวา บรเวณทมการถายเทความรอนสงมลกษณะเปนรปวงแหวน เนองจากเจทไหลพงชนพนผวทนท (ยงไมมการรวมตว) อตราการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) สงกวากรณเจทจากทอปรกต ส าหรบเจทจากทอทบงคบใหไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o พบวาบรเวณทมการถายเทความรอนสงมขนาดกวางกวาทเงอนไขอนๆ
5.1.2 กรณเจทจากทอวงแหวนและเจทจากทอทบงคบใหเจทไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H≥4D พบวา บรเวณทมการถายเทความรอนสงเกดขนทต าแหนงศนยกลางทอเจท เนองจากเจทมการรวมตวกอนพงชนพนผว ยกเวนกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o พบวาเจทไมมการไหลรวมตวกอนพงชนพนผว ท าใหการถายเทความรอนบรเวณศนยกลางทอเจทมคาต าสด
5.1.3 ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H≥4D แนวโนมการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) ลดลงเมอเทยบกบกรณ H=2Dh ในขณะทการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) กรณเจทจากทอปรกตมแนวโนมเพมสงขนตามการเพมขนของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน
5.1.4 ส าหรบกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวท เจทพงชนH=2Dh พบวา อตราการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) มคาสงสด
5.1.5 กรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =60o ทระยะจากปากทางออกถงพนผวพงชน H=4Dh เกดปรากฎการณเจทรวไหลออกจากกงกลางเปนแนวยาว ท าใหบรเวณดงกลาวทมคานสเซลตนมเบอรต า
5.2 ขอเสนอแนะ งานวจยนไดศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลในแนวรศมโดยการตดตงแทงทรงกรวยทท ามมแบบตางๆทปากทางออก ในการศกษาขนตอไปอาจจะท าไดดงตอไปน 5.2.1 ศกษาวธลดบรเวณทมการถายเทความรอนต าบรเวณกงกลางทอเจทไดจะท าใหไดบรเวณททมการถายเทความรอนสงกวางขน 5.2.2 เจททไหลในแนวรศมสามารถน าไปประยกตตดตงในตอบหรออปกรณทตองการการถายเทความรอนสงเปนบรเวณกวางกวาทเจทปกต
24
บรรณณานกรม [1] C. Nuntadusit, M. Wae-hayee, A. Bunyajitradulya, S. Eiamsa-ard, “Visualization of flow and heat transfer characteristics for swirling impinging jet”, International Communications in Heat and Mass Transfer 39 (2012) 640–648] [2] Colucci, D.W.; Viskanta, R. Effect of nozzle geometry on local convective heat transfer to a confined impinging air jet. Exp. Thermal Fluid Sci.1996,13, 71–81. [3] Ashforth-Frost, S.; Jambunathan, K.; Whitney, C.F. Velocity and turbulence characteristics of a semiconfined orthogonally impinging slot jet. Exp. Thermal Fluid Sci.1997,14, 60–67. [4] K Knowles and M. Myszko,Turbulence, 1998, Measurements in radial wall-Jets,Experiment Thermal and Fluid Science,Vol 17,pp71-78. [5] H.Q. Yang a, T. Kim a,b,*, T.J. Lu a, K. Ichimiya, 2010, Flow structure, wall pressure and heat transfer characteristics of impinging annular jet with/without steady swirling International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.53, pp.4092–4100 [6] H.Q. Yang, T. Kim, T. Tanjian , 2011, Characteristics of annular impinging jet with/without swirling flow by short guide vane, science china technological science, vol.54, p749-757 [7] Neil Zuckerman and Noam Lior, 2007,Radial slot Jet Impingement Blow and Heat Transfer on a Cylindrical Target, Journal of thermophysics and heat Transfer,Vol 21,No.3 [8] Potdar, A. A., 2005, Flow field characteristics of dynamic radial jet reattachment, Thesis of Master of Science in Mechanical Engineering, Texas Tech University. [9] Peper, F., Leiner, W. and Fiebig, M., 1997, Impinging radial and inline jets: a comparison with regard to heat transfer, wall pressure distribution, and pressure loss, J. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 14, pp. 194-204. [10] Cosley, M. R., and Marongiu, M. J. Studies on the use of radial jet reattachment nozzles as active heat sinks for electronic component boards, 10th IEEE Semi-Therm, pp.64-72. [11] Lytle, D. and Webb, B.W., (1994), “Air jet impingement heat transfer at low nozzle-plate spacings”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 37, No. 12, pp. 1687-1697. [12] Gao, N., Sun, H. and Ewing, D., (2003), “Heat transfer to impinging round jets with triangular tabs”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46, No. 14, pp. 2557-2569.
25
[13] Gulati, P., Katti, V. and Prabhu, S.V., (2009), “Influence of the shape of the nozzle on local heat transfer distribution between smooth flat surface and impinging air jet”, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, No. 3, pp. 602-617. [14] Lee, D.H., Song, J. and Myeong, C.J., (2004), “The effect of nozzle diameter on impinging jet heat transfer fluids flow”, Journal of Heat Transfer, Vol. 126, pp. 554-557. [15] Baughn, J.W. and Shimizu, S., (1989), “Heat transfer measurements from a surface with uniform heat flux and an impinging jet”, Journal of Heat Transfer, Vol. 111, pp. 1096-1098.
26
26
ภาคผนวก ก. บทความส าหรบเผยแพร 1
27
Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics of
Annular Impinging Jet
Watchara Musika1,a, Makatar Wae-hayee1,b, Passakorn Vessakosol1,c, Banyat Niyomwas1,d and Chayut Nuntadusit1,e*
1Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,
Prince of Songkla University, Hat yai, Songkhla, Thailand [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
Keywords: Impinging jet, Annular jet, Heat transfer enhancement, CFD
Abstract. Flow and heat transfer characteristics of impinging jet from annular pipe were experimentally and numerically investigated. To generate annular jet, the round rod with 12.7 mm in diameter was inserted at center of pipe nozzle which has equivalent inner diameter (DE) of 28.6 mm. The jet-to-plate distance (H) in the range of 2DE, 4DE, 6DE and 8DE was examined. The jet Reynolds number of conventional pipe was fixed at Re=20,000 based on velocity at center of jet, and the mass flow rate of both conventional and annular jets was the same. Temperature distribution on the impinged surface was obtained by using an infrared camera. The numerical simulation was carried out to visualize the flow behavior. The results show that the heat transfer of annular jet is higher than that the conventional pipe at low jet-to-plate distance (H=2DE); however, the ones of annular and conventional jet are comparable when jet-to-plate distance becomes higher than H=6DE. Introduction
Jet impingement is widely used in various industrial applications due to offering high heat transfer rate on impingement surface. The applications include tempering of glass, drying of paper, chemical vapour deposition, cooling turbine blade and electronic component. There are several methods for enhancing heat transfer rate on impingement surface such as the modification of orifice configuration [1], addition of mesh screens [2] and generation of pulsating jet [3]. Generally, an overall heat transfer rate on the impingement surface from applying these techniques as mentioned above is higher when compare to the case of conventional jet at some
28
particular conditions. When consider local heat transfer distribution on the surface, however, heat transfer peak was placed at stagnation point similarly to the case of conventional one. Occasionally, the uniformity of high heat transfer region on impingement surface for particular thermal applications is demanded; then, an annular impinging jet is applied.
Recently, an annular jet from a long straight pipe was applied on combustion flame jet [4]. It is rare for applying this technology on an impingement cooling jet. A few study of annular jet from long straight pipe is particularly concerned just for heat transfer characteristics under low jet-to-plate distance H≤2D [5], but flow characteristics and effect of higher jet-to-plate distance, H≥2D, isn’t reported. Then, flow characteristics of annular jet from pipe nozzle should be concerned.
The objective of this study is to investigate flow and heat transfer characteristics of an impinging jet from annular pipe. The jet-to-plate distance in the range of H=2D to 8D was examined. The comparison of results between conventional and annular pipe was based on the same of nozzle diameter and mass flow rate. The temperature distribution on the impingement surface was measured using an IR camera, and flow characteristics of impinging jet were simulated by using Computational Fluid Dynamic software. Experimental Setup and Method
Experimental Model and Parameters. The experimental model of impinging jet from conventional pipe and annular pipe is shown in Fig.1(a) and (b), respectively. Air with fully developed flow was discharged at nozzle outlet and perpendicularly impinged on a target surface. An origin of the Cartesian coordinates was located at center of nozzle on the impingement surface. The X- and Y-axes are normal to axial jet streamwise coordinate, and Z-axis is on the axial of jet. In order to compare both conventional jet and annular jet results, both nozzle diameters and mass flow rate were the same.
In order to generate an annular jet, the round rod of brass with 12.7 mm in diameter was inserted at center of pipe nozzle. The length of round rod is enough to maintain fully developed flow. Equivalent diameter of round pipe nozzle (DE) was 28.6 mm. The jet-to-plate was varied in the range of H=2DE, 4DE, 6DE and 8DE. The jet Reynolds number of conventional pipe was fixed at Re=20,000 based on velocity at center of jet, and mass flow rate of both jet from conventional and annular pipe was the same.
29
(a) Round jet (b) Annular jet (c) Layout of experimental setup
Fig.1 Model of impinging jet and schematic of experimental setup
Experimental Setup. The experimental setup layout is shown in Fig.1(c). Air is supplied by a blower through a calibrated orifice for measuring flow rate. The flow rate is controlled by adjusting rotating speed of blower with inverter. Jet air temperature is controlled by a temperature controller and a power controller at 27 ± 0.2% ๐C. The nozzle is a steel pipe with inner diameter of 17.2 mm and length to diameter ratio of 83. This pipe length ensures fully developed flow over the Reynolds number range investigated. The jet impingement surface was made of stainless steel foil with 240 mm × 240 mm and 0.03 mm in thickness. The stainless steel foil was tightly stretched between two copper bus bars on the plastic plate as shown in Fig.1(c). The rear side of jet impinged surface was painted with dark black color which having emissivity at 0.95.
Data Reduction. The air jet with constant temperature discharging from the pipe nozzle was impinged on the heated surface for cooling. The wall temperature on the impingement surface was measured by using the infrared camera and, the heat transfer coefficient and Nusselt number were subsequently calculated.
The local Nusselt number was calculated from:
D=28.6 mm
Impingement
plate
H
Round pipe
nozzle
X
Y
Zx
D=28.6 mm
Impingement
plate
Annular pipe
nozzle
X
Y
d=12.7 mm
Zx
Blower
Manometer
Orifice
Power
controllerThermocouple Temperature
controller
Mesh plate
Movable impingement
plate
SUS304 foil
Screw
Copper bus bar
Acrylic
Black
paint
H
IR
camera
Pipe Nozzle
D = Nozzle diameter
H = Jet-to-plate distance
D
Inverter
Heater
chamber
Power
supply
30
k
hDNu E
(1)
Where, DE is the equivalent outer diameter of the pipe nozzle and k is a thermal conductivity of the air jet. The heat transfer coefficient, h, can be calculated from
aww
lossedinput
TT
qqh
(2) where, is the heat transfer losses from free convection and radiation [6], Tw and Taw are the wall temperature without heat flux and the wall temperature with heat flux, respectively. The heat flux can be evaluated from
A
IVqinput
(3)
where, I is the electric current, V and A are the voltage and the area of the stainless steel foil.
Numerical Simulation
Flow characteristics of the impinging jet were visualized by using computational fluid dynamics software (ANSYS, ver.13.0). The numerical model was identical to the experimental model in its geometries, dimensions, and boundary conditions. Computations were conducted by solving Reynolds Averaged continuity and Navier-stokes equations with SST turbulence model. The non-uniform grid system was finely generated for regions near the impingement surface and pipe nozzle. Solutions were considered to be convergent when the normalized residual of all algebraic equations is less than the prescribed value of 1x10-4 [6].
Results and Discussions Local Nusselt number distributions on the impingement surface from experimental
result are shown in Fig. 2. Marked black circle at center of each figure indicates the layout of nozzle outlet. When compare Nusselt number distributions between conventional and annular jet at the same jet-to-plate distance, it was found that the areas of high Nusselt number (Nu>200) for the case of annular jet are larger than the
lossedq
31
case of conventional one except for H=8DE. Both Nusselt number distributions of conventional and annular jet for case of H=8DE are almost similar.
The distributions of local Nusselt number on impinged surface along centerline passing stagnation point for H=2DE, 4DE and 6DE are shown in Fig.3. Almost all of Nusselt number distributions for the case of annular jet are higher than the case of conventional one throughout impingement region and wall jet region for all jet-to-plate distances except for H=2DE. For case of H=2DE (Fig.3(a)), the Nusselt number at stagnation point and region r>2DE for the case of annular jet is lower than the case of conventional one. The lower Nusselt number at stagnation point for annular jet can be referred that the low velocity impinges at this point as shown in Fig.4(a), and the one at r≈>2DE is attributed lower turbulence intensity at this region (referring from higher turbulent intensity at this region affecting secondary heat transfer peak for conventional jet at H=2D [7]).
For the case of H=2DE as shown in Fig.3(a), Nusselt number peak of annular jet is significantly high at r≈0.8DE. This peak of Nusselt number corresponds to the peaks of Y-component velocity as shown in Fig.4(a). When jet-to-plate distance becomes higher, H=4DE and 6DE, as shown in Fig.3(b) and (c), the peak value of annular jet become lower. Especially for the case of H=6DE (Fig.3(c)), the peak values of both conventional and annular jet are comparable.
Fig. 2 Local Nusselt number distributions on impingement surface (Experimental
results, Re=20,000, Tj=27oC)
-1
-2
-3
2
1
0
3
Y/D
H = 2D H = 4D H = 6D H = 8D
An
nu
lar
jet
Co
nve
nti
on
nal
jet
1 2 3-2 -1 0-3
-1
-2
-3
2
1
0
3
X/D
Y/D
1 2 3-2 -1 0-3X/D
1 2 3-2 -1 0-3X/D
1 2 3-2 -1 0-3X/D
Nu(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
32
Fig. 3 Distributions of local Nusselt number on the impinged surface passing the
centerline of impingement region (Experimental results, Re=20,000, Tj=27oC)
Fig. 4 (a): Distribution of Y-component velocity on centerline of impingement region above from the surface of 1 mm, and (b), (c): streamlines of jet on ZX plane passing center of nozzle (CFD results, Re=20,000).
The Y-component velocity as shown in Fig.4 (a) represents the velocity in the
direction normal to the impinged surface. The positive velocity of the downstream jet indicates that the jet impinges on the wall. The negative velocity occurred near r/DE=0 indicates that the jet flows away from the impingement wall. It can be illustrated that the circulation flows appear at nozzle center above the wall as shown particularly in Fig.2 (b).
(c) H = 6D
r/D-3 -2 -1 0 1 2 3
Nu
60
120
180
240 Conventional
Annular
(b) H = 4D
r/D-3 -2 -1 0 1 2 3
Nu
60
120
180
240(a) H = 2D
r/D-3 -2 -1 0 1 2 3
Nu
60
120
180
240
(a) H = 2D
r/D
-3 -2 -1 0 1 2 3
Y-c
om
ponent
velo
city (
m/s
)
-1.0
-.5
0.0
.5
1.0
1.5
2.0Conventional
Annular
X/D
2
0 1 2 3-3 -2 -1
1
0
Z/D
0 1 2 3-3 -2 -1
2
1
0
4
3
6
5
X/D
Z/D
Vel
oci
ty (
m/s
)
(c) H = 6D
(b) H = 2D
33
Streamlines on ZX plane at center of nozzle at H=2DE and 6DE are shown in Fig.4 (b) and (c). For the case of H=2DE (Fig.4 (b)) the jet was separated from effect of inserted cylindrical rod and impinged directly on the wall. It causes to appear Y-component velocity two places as shown in Fig.4 (a), consequently, affecting on the highest Nusselt number peaks as shown in Fig.3 (a). At H=6D as shown in Fig.4(c), the annular jet was combined before impingement. From this effect, the Nusselt number characteristics are similar to the case of conventional one.
Average Nusselt Number was calculated from averaging local temperature in considered region 0≤r≤1DE, 0≤r≤2DE and 0≤r≤3DE as shown in Fig.5. Almost of all average values were decreased when the averaged areas become larger. The average values of annular jet are higher than the case of conventional jet throughout jet-to-plate distances except at H=8DE. The average value for annular jet at H=2DE and 0≤r≤1DE is the highest. This is from the Nusselt number peaks as shown in Fig.4 (a). For case of average Nusselt number in region 0≤r≤3DE as shown in Fig.5(c), the average values are higher than conventional jet about 12.2%, 20%, 13.5% for case of H=2DE, 4DE and 6DE, respectively.
Fig. 5 Average Nusselt number (Experimental results, Re=20,000, Tj=27
oC)
Conclusions The main finding of this investigation is that the heat transfer on the surface with
annular impinging jet is higher than that the conventional jet throughout jet-to-plate distances except at large jet-to-plate distance H=8DE. Especially at H=2DE, the Nusselt number peak is significantly high at r≈0.8D because the high jet velocity impinges on the wall.
References [1] J. Lee, S.-J., Lee, The effect of nozzle aspect ratio on stagnation region heat transfer characteristics of elliptic impinging jet, Int. J. Heat and Mass Transfer, 43 (2000) 555-575.
34
[2] D. W. Zhou, S.-J. Lee, Heat transfer enhancement of impinging jets using mesh screens, Int. J. Heat and Mass Transfer, 47 (2004) 2097-2108. [3] E.C. Mladin, D.A. Zumbrunnen, Local convective heat transfer to submerged pulsating jets, Int. J. Heat Mass Transfer, 46 (1997) 3305-3321. [4] H.S. Zhen, C.W. Leung, C.S. Cheung, Heat transfer characteristics of an impinging premixed annular flame jet, Applied Thermal Engineering, 36 (2012) 386-392. [5] K. Ichimiya, Heat Transfer characteristics of an annular turbulent impinging jet with a confined wall measured by thermosensitive liquid crystal, Heat Mass Transfer, 39 (2003) 545-511. [6] N. Zuckerman, N. Lior, Jet Impingement Heat Transfer: Physics, Correlations, Numerical Modeling, Advances Heat Transfer, 39 (2006) 565-631. [7] S. Ashforth-Frost, K. Jambunathan, C.F. Whitney, Velocity and Turbulence Characteristics of a Semiconfined Orthogonally Impinging Slot Jet. Exp. Thermal Fluid Sci., 14 (1997) 60-67.
30
ภาคผนวก ข. บทความส าหรบเผยแพร 2
31
ลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลตกกระทบในแนวรศม FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF RADIAL IMPINGING JET
(ก) วชระ มสกะ
มกตาร แวหะย ชยต นนทดสต ภาสกร เวสสะโกศล ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร ต.คอหงส อ.หาดใหญ จ.สงขลา 90112 โทรศพท 074-287-035 โทรสาร 074-212-893 E-mail: [email protected]
(ข) บทคดยอ งานวจยนมจดประสงคเพอศกษาลกษณะการไหลและการถายความรอนของเจท
พงชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม ในการทดลองก าหนดใหทอเจททมขนาดเสนผานศนยกลางภายใน D=28.6 mm และตดตงเพลาทมขนาดเสนผานศนยกลาง d=12.7 mm ตามแนวศนยกลางทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบาน =30o, 60 o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท นอกจากนไดปรบระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนเทากบ H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในการเปรยบเทยบผลการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทเทากนทกกรณโดยเทยบจากเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอวงแหวนท Re=20,000 ในการวดการถายเทความรอนบนพนผวไดใชกลองถายภาพความรอนวดอณหภมบนพนผวทเจทพงชน และศกษาลกษณะการไหลของเจทโดยใชวธการค านวณพลศาสตรของไหล (ANSYS ver.13 ,Fluent) จากการศกษาพบวา ทระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชน H=2Dh บรเวณทมอตราการถายเทความรอนสงของเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =90o มขนาดกวางกวากรณอนๆ ค าส าคญ : เจทพงชน, เจทวงแหวน, เจททไหลในแนวรศม , การถายเทความรอน, การจ าลองการไหล
(ค) (ง) Abstract The aim of this research is to study flow and heat transfer characteristics of
impinging jet from annular pipe and radial pipe. In the experiment, the inner diameter of nozzle pipe was D=28.6 mm, and a rod having diameter of d=12.7 mm was inserted into the centre of nozzle pipe. For generating a radial jet, a solid cone with divergent angle of =30o, 60o and 90o was mounted at center of jet outlet. In addition, a jet-to-plate distance at H=2Dh, 4Dh, 6Dh and 8Dh was varied where Dh is hydraulic diameter (Dh=D-d). For the comparison of results, the flow rate of jet for every cases was the same by respecting Reynolds number of annular jet at Re=20,000. The heat transfer pattern on the impingement surface was measured by using used infrared camera to capture temperature distributions on the surface, and the flow characteristics of jet were investigated by using Computational Fluid Dynamics (ANSYS ver.13, Fluent). The results showed that at the jet-to-plate distance H=2Dh, the area of high heat transfer of radial jet with =90o was the largest. Keywords : Impinging jet, Annular jet, Radial jet, Heat transfer, Flow simulation
32
1. บทน ำ
เจทพงชน (Impinging jet) ถกน ามาใชในอปกรณดานการถายเทความรอนในภาค อตสาหกรรมอย างกว างขวางโดย เฉพาะ อตสาหกรรมการผลตไฟฟาทใชเครองยนตกาซเทอรไบน การผลตแกว โลหะ สงทอ เนองจากเจทพงชนเปนวธทใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวทสง โดยเฉพาะบรเวณทเจทพงชนโดยตรง อกทงยงใหอตราสวนระหวางปรมาณการถายเทความรอนและปรมาณการไหลของของไหลทสง จงสามารถใชพลงงานไดอยางมประสทธภาพเมอเทยบกบวธอนๆ
ลกษณะและอตราการถายเทความรอนบนพนผวดวยวธการใชเจทพงชนจะขนอยกบลกษณะการไหลของเจทบนพนผว เนองจากการไหลของเจทบนพนผวมความซบซอนมากกวาการไหลของของไหลบนพนผวทวไป จงจ าเปนทตองศกษาการไหลของเจทหลายๆวธ เพอใหเขาใจถงตวแปรทมผลตอลกษณะการไหลของเจทบนพนผว โดยทวไปแลวตวแปรหลกทมผลตอลกษณะการไหลของเจทบนพนผวมอยสองประการคอ ระยะระหวางปากทางออกของเจทถงระนาบทเจทพงชนและรปทรงของหวฉด เมอรลกษณะการไหลของเจทสามารถเปนขอมลพนฐานในการอธบายลกษณะการถายเทความรอนบนพนผวกจะน าไปสการออกแบบระบบการถายเทความรอนโดยใชเจทพงชนเพอใหไดอตราการถายเทความรอนทเหมาะสมทสด
ในอดตไดมการศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทอยางกวางขวาง เชน งานวจยของ Poreh และคณะ [1] ไดศกษาเกยวกบระดบของความความแปรปรวนและความเคนเฉอนทเกดขนบนผนง จากการศกษาพบวาบรเวณของเจทผนง (Wall jet) ความเรวของการไหลจะลดลงและความหนาของชนขอบเขตบนผนงจะเพมขน โดยจะแปรผนตรงตามระยะหางจากจดกงกลางทเจทพงชน โดยทวไปแลวชนขอบเขตจ ากดจะเปนตวตานทานการถายเทความรอนระหวางของไหลกบพนผว ท าใหการถายเทความรอนของเจทบนผนงลดลง Popiel และ Boguslawski [2] ไดเปรยบเทยบการถายเทความรอนจากหวฉดแบบ Orifice และแบบ Bell-shape โดยก าหนดคาเรยโนลดของเจททเทากน จากผลการศกษาพบวา หวฉดแบบ Orifice จะมความเรวในแนวศนยกลางสงกวาหวฉดแบบ Bell–shape สงผลใหอตราการถายเทความรอนของเจทจาก Orifice มคาสงกวาแบบ Bell–shape นอกจากน Baughn และ Shimizu [3] ไดศกษาเกยวกบการถายเทความรอนของเจทพงชนพนผว โดยใชหวฉดทเปนลกษณะทอยาว ไดศกษาผลของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน จากการทไดศกษาพบวา ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=6D (D คอเสนผานศนยกลางทอเจท) ใหนสเซลตนมเบอรบรเวณศนยกลางทเจทพงชนสงสด นอกจากนยงพบวาทระยะ H≤2D เกดบรเวณทมการถายเทความรอนสงสดอนดบสอง (Secondary peak) เกดขน
ปญหาของการถายเทความรอนบนพนผวดวยเจทพงชนคอ อตราการถายเทความรอนมคาสงบรเวณศนยกลางทเจทพงชนและลดลงตามแนวรศม ในอดตนกวจยไดพยายามควบคมการไหลของเจทเพอใหบรเวณทมอตราการถายเทความรอนสงขยายเพมขน Huang และ El-Genk [4] ไดออกแบบอปกรณสรางกระแสเจทหมนควงส าหรบ
สอดในทอเจท ในการทดลองมมบดทใชสรางเจทหมนควงจะอยในชวง 15o, 30o และ 45o จากผลการทดลองพบวา การใชเจทหมนควงสามารถเพมคาการถายเทความรอนบนผนงไดคอนขางมาก และชวยเพมความสม าเสมอของการถายเทความรอนไดเมอเทยบกบเจทจากทอ นอกจากน Alekseenko และคณะ [5] ไดท าศกษาลกษณะการไหลของเจทพงชนทมการตดตงตวสรางกระแสหมนควงทปากทางออกเจททมลกษณะเปนใบบงคบทศทางทสามารถปรบคา Swirl number ได ผลการทดลองพบวา อตราการหมนควงของเจททเพมขนสงผลท าใหอตราการแพรกระจายของเจทเพมขน อยางไรกตามในการทดลองไมไดมงเนนไปทอตราการถายเทความรอนบนแผนระนาบทเจทพงชน แตจะศกษาเฉพาะลกษณะการกระจายความเรวของเจท
ในงานวจยนมจดประสงคเพอเพมบรเวณทมการถายเทความรอนสงบนพนผวทเจทพงชนจากทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม โดยศกษาผลของมมทเจทไหลออกจากทอและระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนทมผลตอการเพมการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน 2 โมเดลและตวแปรทใชในกำรทดลอง
รปท 1 แสดงโมเดลของเจทพงชนจากทอแบบวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม จากรปเจทไหลออกจากทอพงชนตงฉากกบพนผว ระบบพกดฉากเรมตนบนผนงทเจทพงชนและอยตรงกงกลางทอเจท โดยก าหนดใหแกน Z อยในแนวเดยวกบการไหลของเจท และแกน X, Y อยในทศทางตงฉากกบแกน Z ตามทไดแสดงในรปท 1
รปท 1 โมเดลของเจทพงชนแบบทอวงแหวน (ซาย) และแบบทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม (ขวา)
ทอเจทวงแหวนสรางโดยสอดเพลาสแตนเลสตนขนาดเสนผาน
ศนยกลาง d=12.7 mm ไวตรงกลางทอเจททมขนาด D=28.6 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ซาย) โดยทอเจทและเพลามความยาวเพยงพอทจะท าใหเกดการไหลแบบพฒนาตวกอนทอากาศจะไหลออกจากปากทางออกทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบาน =30o, 60 o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท โดยยดตดกบเพลาทอยตรงกลางทอเจท และก าหนดใหระยะจากปากทางออกทอเจทถงฐานของทรงกรวยมความสงคงทเทากบ 15 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ขวา) ส าหรบระยะจาก
Impingement plateImpingement plate
15 mm
z
x
D = 28.6 mm
d = 12.7 mmd = 12.7 mm
Impingement plateImpingement plate
Hz
x
D = 28.6 mm
d = 12.7 mmd = 12.7 mm
H
Rod
Pipe
33
ปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนไดปรบใหอยในชวง H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในทกการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทคงท โดยเทยบจากคาเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอวงแหวนท /VDRe H = 20,000 โดยท V คอ ความเรวทต าแหนงศนยกลางทอเจทวงแหวน 3. ชดกำรทดลองและวธกำรทดลอง
3.1 ชดทดลอง
รปท 2 แสดงรายละเอยดของชดทดลอง อากาศภายในชดทดลองจะถกดดโดยใชโบรเวอรและไหลผานออรรฟสเพอวดอตราการไหล การควบคมอตราการไหลของอากาศท าไดโดยการปรบความเรวรอบของมอเตอรทหมนใบพดดวยอนเวอเตอร หลงจากนนอากาศจะไหลผานชดทอขดความรอนตดตงอยภายในเพอควบคมอณหภมของเจทอากาศใหคงททอณหภม 27oC + 0.2 oC กอนทจะเขาหองกกอากาศและผานไปยงทอเจททมความยาว 575 mm ชดทดลองนถกออกแบบใหสามารถปรบระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน
รปท 2 ไดอะแกรมของชดทดลอง
3.2 การวดการถายเทความรอนบนพนผว วธการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผวไดใช
แผนสเตนเลสบางทมความหนา 0.03 mm โดยแผนสเตนเลสนถกขงใหเรยบตงกบแผนพลาสตกหนา 15 mm ทเจาะหนาตางขนาด 240 mm x 240 mm ไวกลางแผน โดยใชแทงทองแดงยดแผนสเตนเลสไวทงสองขาง และแทงทองแดงทงสองนจะตอเขากบขวของตวจายกระแสไฟฟา เมอจายไฟฟากระแสตรงไหลผานแทงทองแดงไปยงแผนสเตนเลส จะเกดความรอนกระจายทวพนผวแผนสเตนเลส จากนนใชเจทพงชนพนผวท าการระบายความรอน เมอระบบเขาสสภาวะคงตว จงท าการบนทกคาการกระจายอณหภมบนพนผ วแผนสเตนเลสดานตรงขามทเจทพงชนโดยใชกลองตรวจจบความรอน (IR Camera)
ส าหรบอตราการเกดความรอนในแผนสเตนเลสสามารถค านวณไดจากความสมพนธดงน
A
IVqinput (1)
ในทน I คอกระแส ไฟฟาท จ าย ใหกบแผนส เตน เลส V คอแรงดนไฟฟาทตกครอมแผนสเตนเลส และ A คอ พนทของพนผวถายเทความรอน (แผนสเตนเลส)
จากนนสามารถค านวณคาสมประสทธการพาความรอนเฉพาะจด(h) บนพนผวไดจากสมการ
aww
natradinput
TT
qqqh
(2)
ในทน 44
swrad TTq และ swcnat TThq คอ ฟลกซการสญเสยความรอนทเกดจากการแผร งสและการพาความรอนแบบธรรมชาตบนผนงดานหลงของแผนสเตนเลส Taw คออณหภมของแผนสเตนเลสเมอเจทพงชนในขณะทไมมฟลกซความรอน, Tw คออณหภมของแผนสเตนเลสทมฟลกซความรอน , Ts คออณหภมบรรยากาศโดยรอบ และ hc การพาความรอนแบบธรรมชาตดานตรงขามทเจทพงชน
คานสเซลตนมเบอรบนพนผวค านวณไดจากความสมพนธ
k
hDNu h (3)
โดยท h คอสมประสทธการพาความรอนของอากาศ และ k คอสมประสทธการน าความรอนของอากาศ
3.3 การจ าลองการไหลดวยวธทางพลศาสตรของไหล ในงานวจยนใชโปรแกรม ANSYS Ver.13, Fluent ในการจ าลอง
การไหล 3 มต แบบคงตว โดยทโมเดลทใชในการค านวณรวมทงเงอนไขขอบเขตไดถกจ าลองใหเหมอนกบการทดลอง กรดถกสรางใหละเอยดบรเวณปากทางออกเจทและผนงทเจทพงชน ในการจ าลองการไหลแบบป นปวนเลอกใชโมเดล Shear stress transport (SST) k-
Blower
Manometer
Orifice
Power
controllerThermocouple Temperature
controller
Mesh plate
Movable impingement
plate
H
IR
camera
Pipe Nozzle
D = Nozzle diameter
H = Jet-to-plate distance
D
Inverter
Heater
chamber
Power
supply
Copper
bus bar
SUS304
foil
Screw
Acrylic
Black
paint
34
omega และใช SIMPLE อลกอรทมในการแกสมการความตอเนองและสมการ Reynolods-Averaged Navier-Stoke เพอหาสนามความเรวและความดน และเลอกใช Spatial discretization แบบ Second order-upwind ส าหรบคาความผดพลาดของค าตอบไดก าหนดไวท 1x10-5 4. ผลการทดลอง
รปท 3 แสดงการกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน กรณของทอวงแหวนทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 3(a)) พบวา การกระจายของนสเซลตนมเบอรมคาต าทต าแหนงกงกลางทอเจท ซงเปนผลมาจากการสอดเพลาภายใน
ทอเจท เจทยงไมเกดการรวมตวกอนไหลพงชนพนผว บรเวณทมการถายเทความรอนสงเปนรปวงแหวนตามลกษณะของหนาตดทอเจท เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขนเปน H=4Dh
(รปท 3(e)) บรเวณทมอตราการถายเทความรอนต าทต าแหนงกงกลางทอเจทมขนาดเลกลง เนองจากเจทเกดการรวมตวมากขนกอนพงชนพนผว ส าหรบบรเวณทมอตราการถายเทความรอนทอยในชวง 90≤Nu≤110 ขยายบรเวณกวางขนแสดงถงเจทมการขยายตวกอนพงชนพนผว ส าหรบทระยะ H≥6Dh (รปท 3(i) และ(m)) บรเวณทอตราการถายเทความรอนสง (Nu≥80) มขนาดแคบลง
รปท 3 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC) ส าหรบเจททไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถง
พนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 3(b), (c) และ (d)) ลกษณะการกระจายของนสเซลตนมเบอรคลายกบกรณเจทจากทอวงแหวน เมอมม เพมขน บรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาสง (Nu≥110) ขยายบรเวณกวางขน นอกจากนยงพบวาบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาต า (Nu≤90) ทอยต าแหนงตรงกลางทอเจทขยายบรเวณกวางขน เมอมม เพมขน ซงเกดจากการตกกระทบของเจทหางออกจากศนยกลางทอเจทมากขนเมอมม เพมขน (ตามทไดแสดงลกษณะการไหลของเจทในรปท 7 (b), (c) และ (d)) เมอระยะ H≥4Dh บรเวณทอตราการถายเทความรอนสง (Nu≥90) มขนาดแคบลงกวากรณเจทจากทอวงแหวน
ส าหรบเจททไหลในแนวรศมกรณทเง อนไข =60o และ H=4Dh
ตามทไดแสดงในรปท 3(g) พบวา ลกษณะบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาสง (Nu≥90) ไมเปนวงกลม เกดบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาต า
เปนแนวยาวทต าแหนง X/Dh=0 ซงเกดจากอากาศทอยภายใตทรงกรวยไหลออกจากบรเวณทเจทพงชน นอกจากนยงพบวา ลกษณะการกระจายของนสเซลตนมเบอรมการเปลยนแปลงตามเวลาตามทไดแสดงในรปท 4
รปท 5 แสดงการกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (Y/D=0) กรณทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 5(a)) พบวา นสเซลตนมเบอรสงสด (Peak) สงกวากรณทเง อนไขระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนอนๆ ส าหรบเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =45o และ 60o นสเซลตนมเบอรสงสดมคาสงกวากรณเจทจากทอวงแหวน เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D (รปท 5(b)-(d)) พบวานสเซลตนมเบอรสงสดของเจทวงแหวนมคาสงกวาเจททไหลในแนวรศม
-4 0 2 4-2X//Dh
-6 6-4 0 2 4-2X//Dh
-6 6-4 0 2 4-2X//Dh
-6 6
0
-2
-4
2
4
Y//
Dh
-6
6
-4 0 2 4-2X/d
0
-2
-4
2
4
Y//
Dh
-6
6
X/d
0
-2
-4
2
4
Y//
Dh
-6
6
-4 0 2 4-2X//Dh
0
-2
-4
2
4
Y//
Dh
-6 6-6
6
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
Nu
H=
2D
hH
=4
Dh
H=
6D
hH
=8
Dh
Radial jet θ=60oRadial jet θ=30oAnnular jet Radial jet θ=90o
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
(i) (j) (k) (l)
(m) (n) (o) (p)
35
รปท 4 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกรณเจททไหลในแนวรศมทมม =60o และระยะ H=4Dh
รปท 6 แสดงนสเซลนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชนทคดคาเฉลยในชวงบรเวณ 0≤r/Dh≤1, 0≤r/Dh≤2, 0≤r/Dh≤3 และ 0≤r/Dh≤4 จากรปแนวโนมของนสเซลตนมเบอรเฉลยลดลงตามการเพมขนของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน (H) เมอพจารณาบรเวณ 0≤r/Dh≤1 และ 0≤r/Dh≤2 ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 6(a) และ (b)) นสเซลนมเบอรเฉลยของเจทจากทอวงแหวนมคาสงกวาเจททไหลในแนวรศม เนองจากนสเซลตนมเบอรบรเวณศนยกลางทอเจทกรณเจททไหลในแนวรศมมคาต า ซงเกดจากผลของการตดทรงกรวยทปากทางออกเจท เมอพจารณาบรเวณ 0≤r/Dh≤4 ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 6(d)) พบวานสเซลนมเบอรเฉลยของเจททไหลในแนวรศมทกกรณมคาสงกวาเจทจากทอวงแหวน
รปท 5 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)
รปท 6 นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC)
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6
6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
-6 6
-6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6
6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6 6
-6
6-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6
-6
6
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/d
-6 6
-6
6-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Z/D
h
-6-6
6
X/Dh X/Dh
X/Dh
-4 0 2 4-2
X/Dh
0
-2
-4
2
4
Z/D
h
-6 6-6
6
X/Dh
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
NuT1 T2 T3 T4
T8T7T6T5
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(b) H = 4D
h
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200Radial jet =45
o
Radial jet =60o
Radial jet =75o
Annular jet
(d) H = 8Dh
r/Dh
-6 -4 -2 0 2 4 6
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(a) H = 2D
h
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(c) H = 6D
h
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140(b) 0<r<2Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140Radial jet =90
o
Radial jet =60o
Radial jet =30o
Annular jet
(d) 0<r<4Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140(a) 0<r<1Dh
H/Dh
2 4 6 8
Nu
20
40
60
80
100
120
140(c) 0<r<3Dh
36
รปท 7 แสดงลกษณะการไหลของเจททไดจากผลการจ าลองลกษณะการไหล กรณเจทจากทอวงแหวนทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 7(a)) เจทไหลออกจากทอวงแหวนพงชนพนผวทนท จดทเจทไหลตกกระทบท X/Dh ±1.5 ซงสอดคลองกบต าแหนงทนสเซลตนมเบอรมคาสงสดตามทไดแสดงในรปท 5(a) เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D (รปท 7(e), (i) และ (m)) พบวาเจทไหลรวมตวกอนทจะพงชนพนผว ซงเปนสาเหตทท าใหนสเซลตนมเบอรบรเวณทต าแหนงศนยกลางทอมคาเพมขนเมอเทยบกบทระยะ H=2Dh
กรณเจททไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 7(b), (c) และ (d)) เจทเกดการแยกตว
และไหลตกกระทบพนผวหางออกจากจดศนยกลางทอเจทมากขนเมอมม เพมขน ซงสอดคลองกบต าแหนงทนสเซลตนมเบอรมคาสงสดตามทไดแสดงในรปท 5(a) เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D เจทไหลแยกตวออกจากกนและมสวนทไหลกระทบพนผวนอย ท าใหการถายเทความรอนลดลง
กรณเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =30o พบวามลกษณะการไหลคลายกบกรณเจทจากทอวงแหวน ซงสอดคลองกบการถายเทความรอนบนพนผวกรณเจททไหลออกจากทอวงแหวน (รปท 3(a), (e), (i) และ (m)) มลกษณะคลายกบกรณเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =30o (รปท 3(b), (f), (j) และ (n))
รปท 7 แสดงลกษณะการไหลของเจทพงชนจากผลการล าลองลกษณะการไหล (Re=20,000, Tj=27oC)
21
0
X/Dh
Z/D
h
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh
Y/D
hY
/Dh
Y/D
h
Z/D
h
43
21
0Z
/Dh
65
43
21
0
Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90o
H=
8D
hH
=6
Dh
H=
4D
hH
=2
Dh
(a)
Velocity (m/s)
18.0
16.4
14.8
13.2
11.6
10.0
8.4
6.8
3.6
2.0
5.2
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
Z/D
h
87
65
43
21
0
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh
(b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
(i) (j) (k) (l)
(m) (n) (o) (p)
The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand
5. สรปผลการทดลอง งานวจยนไดศกษาลกษณะการไหลและถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม จากผล
การศกษาสรปไดวา (1) ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh บรเวณทมการถายเทความรอนสงมลกษณะเปนรปวงแหวน เนองจากเจทไหลพง
ชนพนผวทนท (ยงไมมการรวมตว) ส าหรบกรณเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =90o พบวาบรเวณทมการถายเทความรอนสงมขนาดกวางกวาทเง อนไขอนๆ
(2) ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H≥4D แนวโนมการถายเทความรอนบนพนผวลดลงเมอเทยบกบกรณ H=2Dh บรเวณทมการถายเทความรอนสงเกดขนทต าแหนงศนยกลางทอเจท เนองจากเจทมการรวมตวกอนพงชนพนผว ยกเวนกรณเจททไหลในแนวรศมท เง อนไข =90o พบวาเจทไมมการไหลรวมตวกอนพงชนพนผว ท าใหการถายเทความรอนบรเวณศนยกลางทอเจทมคาต าสด เอกสารอางอง [1] Poreh, M., Tsuei, G. and Cermak, E. J., 1967, Investigation of a Turbulent Radial Wall Jet,. Journal of Applied Mechanics, Vol. 34, pp. 457-463. [2] Popipel, O. Cz. and Boguslawski, L., 1986 Mass or Heat transfer in impinging single,round jets emitted by a bell-shaped nozzle and sharp-ended orifice,. Proceeding: International Heat Transfer Conference 8. [3] Baughn, J.W. and Shimizu, S., 1989, Heat transfer measurements from a surface with uniform heat flux and an impinging jet, Journal of Heat Transfer, Vol. 111, pp. 1096-1098. [4] Huang, L. and El-Genk, M. S. 1998, Heat transfer and flow visualization experiments of swirling,multi-channel, and conventional impinging jets. International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.41, pp. 583-600. [5] Alekseenko, V. S., Bilsky, V. A., Dulin, M. V. and Markovich, M. D. 2007, Experimental study of an impinging jet with dif ferent swirl rates. International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 28, pp. 1340-1359.
The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand
ภาคผนวก ค. บทความส าหรบเผยแพร 3
INVESTIGATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF RADIAL IMPINGING JET
W. Musika
1, M. Wae-hayee
1, P. Vessakosol
1 and
C. Nuntadusit*1
1 Energy Technology Research Center and Department of Mechanical Engineering,
Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Hatyai, Songkhla 90112, Thailand
The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand
(a) ABSTRACT
In this study, flow and heat transfer
characteristics of radial impinging jet were investigated.
The effect of jet outlet geometry and nozzle-to-impinged
surface distance were studied. The experiment was
conducted an annular and radial pipe nozzle with inner
diameter and outer diameter at d=12.7 mm, D=28.6 mm.
The jet-to-plate distance at H = 2Dh, 4 Dh, 6 Dh and 8 Dh (Dh
is hydraulic diameter of radial jet nozzle) and outlet angle of
radial jet at ϴ=45o, 60
o and 75
o were examined. To
compare the results, jet mass flow rate was fixed at jet
Reynolds number of 20,000. The heat transfer
characteristics were measured by using infrared camera.
The numerical simulation was employed to predict flow
field using commercial software (ANSYS ver. 13.0,
Fluent). It is found that the heat transfer rate on target
surface of radial jet at low jet-to-plate distance is higher
than the case of annular.
INTRODUCTION
Jet impingement is widely used in various industrial
applications due to offering high heat transfer rate on
impingement surface. The applications include tempering
of glass, drying of paper, chemical vapour deposition,
cooling turbine blade and electronic component. There are
several methods for enhancing heat transfer rate on
impingement surface such as the modification of orifice
configuration [1], addition of mesh screens [2] and
generation of pulsating jet [3]. Generally, an overall heat
transfer rate on the impingement surface from applying
these techniques as mentioned above is higher when
compare to the case of conventional jet at some particular
conditions. When consider local heat transfer distribution
on the surface, however, heat transfer peak was placed at
stagnation point similarly to the case of conventional one.
Occasionally, the uniformity of high heat transfer region
on impingement surface for particular thermal
applications is demanded; then, an annular impinging jet
is applied.
Recently, an annular jet from a long straight pipe was
applied on combustion flame jet [4]. It is rare for applying
this technology on an impingement cooling jet. A few
study of annular jet from long straight pipe is particularly
concerned just for heat transfer characteristics under low
jet-to-plate distance H≤2D [5], but flow characteristics
and effect of higher jet-to-plate distance, H≥2D, isn’t
reported. Then, flow characteristics of annular jet from
pipe nozzle should be concerned.
The objective of this study is to investigate flow and
heat transfer characteristics of an impinging jet from
radial jet. The jet-to-plate distance and angle of outlet of
radial jet were examined. The comparison of results
between radial jet and annular jet was based on the same
of nozzle diameter and mass flow rate. The temperature
distribution on the impingement surface was measured
using an IR camera, and flow characteristics of impinging
jet were simulated by using Computational Fluid Dynamic
software.
EXPERIMENTAL APPARATUS AND PROCEDURE
The experimental model displaying the jet from
annular nozzle and radial nozzle is shown in Figure 1.(a)
and (b), respectively. Air with fully developed flow was
discharged at nozzle outlet and perpendicularly impinged on
a target surface. An origin of the Cartesian coordinates was
located at center of nozzle on the impingement surface.
The X- and Y-axes are normal to axial jet streamwise
coordinate, and Z-axis is on the axial of jet. For all nozzles
have the same area of jet outlet and fixed the jet Reynolds
number at 20,000 for comparison.
(a) Annular nozzle (b) radial nozzle
Figure 1. Experimental model of imping jet
In order to generate an annular jet, the round rod of
stainless steel with 12.7 mm in diameter was inserted at
center of pipe nozzle. The length of round rod is enough
to maintain fully developed flow. Hydraulic diameter of
round pipe nozzle (Dh) was 28.6 mm. The jet-to-plate was
varied in the range of H=2Dh, 4 Dh, 6 Dh and 8 Dh. The
angle of radial nozzle outlet was varied ϴ=45o, 60
o and
75o. The mass flow rate of jet for all cases was fixed at jet
Reynolds number of annular pipe of 20,000 based on
velocity at center of jet.
Experimental Setup. A schematic of the experimental apparatus is shown in
Figure 2. Air is supplied by a blower through a calibrated
orifice for measuring flow rate. The flow rate is controlled
by adjusting rotating speed of blower with inverter. Jet air
temperature is controlled by a temperature controller and a
power controller at 27 ± 0.2% ๐C. The nozzle is a steel
pipe with inner diameter of 28.6 mm and length to
diameter ratio of 83. This pipe length ensures fully
developed flow over the Reynolds number range
investigated. The jet impingement surface was made of
Impingingment plateImpingingment plate
Hz
x
Impingingment plateImpingingment plate
15 mm
z
x
D = 28.6 mm
d = 12.7 mmd = 12.7 mm
The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand
stainless steel foil with 240 mm × 240 mm and 0.03 mm
in thickness. The stainless steel foil was tightly stretched
between two copper bus bars on the plastic plate as shown
in Figure 2. The rear side of jet impinged surface was
painted with dark black color which having emissivity at
0.95.
Figure 2. schematic of experimental set up
Heat transfer measurement
The air jet with constant temperature discharging from
the pipe nozzle was impinged on the heated surface for
cooling. The wall temperature on the impingement surface
was measured by using the infrared camera and, the heat
transfer coefficient and Nusselt number were subsequently
calculated.
The local Nusselt number was calculated from:
k
hDNu h
(1)
Where, Dh is the hydrolic diameter of the pipe nozzle and
k is a thermal conductivity of the air jet. The heat transfer
coefficient, h, can be calculated from
wjwh
natradinput
TT
qqqh
(2)
where 44
swhrad TTq and swhcnat TThq are the
heat loss transferred to the environment by radiation and
convection, respectively. The whT and
wjT are Temperature
of the stainless plate with have heat flux and not have heat
flux, the is a Stefan-Boltzman constant, the is a
emissive coefficient of coefficient of captured side; Ts is
the surrounding temperature; and hc is the natural heat
transfer coefficient calculated from natural convective
heat transfer from the heat transfer surface to the
surrounding.
The heat flux can be evaluated from
A
IVqinput
(3)
where, I is the electric current, V and A are the voltage
and the area of the stainless steel foil.
Numerical simulation
(a) layout of Numerical model
(b) 3-D Numerical model
Figure 3. Numerical model Flow characteristics of the impinging jet were
visualized by using computational fluid dynamics
software (ANSYS, ver.13.0). The numerical model was
identical to the experimental model in its geometries,
dimensions, and boundary conditions as shown in Figure
3. Computations were conducted by solving Reynolds
Averaged continuity and Navier-stokes equations with
SST turbulence model. The non-uniform grid system was
finely generated for regions near the impingement surface
and pipe nozzle as shown in Figure 4. Solutions were
considered to be convergent when the normalized residual
of all algebraic equations is less than the prescribed value
of 1x10-5
[6].
Velocity inlet
Pressure outlet
Wall
Wall
Velocity inlet
Pressure outlet
Impingement surface wall
Rod
Pipe
Blower
Manometer
Orific
e
E-3
SCRThermocoupleTemperature
controller
Mesh platePower supply
Movable impingement plate
SUS304 foil
Screw
Copper bus bar
Acrylic
Black
paint
H
IR
camera
Nozzle
D = Nozzle diameter
H = Jet-to-plate distance
D
Inverter E-4
Heater chamber
The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand
Figure 4. Generated grids
(b)
(c) RESULTS AND DISCUSSIONS
Flow characteristics The velocity contours from numerical simulation are
shown in Figure 5. The results between the case of annular
pipe (left side) and radial pipe with ϴ=45o (right side) are
compared.
For the case of annular pipe at low jet-to-plate
distance, H=2Dh, as shown in Figure 5(e), the jet after
discharging from pipe impinges immediately on target
surface. The velocity contours are very low at the center
of pipe due to effect of inserted rod. At higher jet-to-plate
distance, H=4Dh as shown in Figure 5(c), the annular jet
combine at the jet core before impingement. Especially at
H=6Dh as shown in Figure 5.(a), the jet flow completely
combine at the jet core before impingement.
For the case of radial pipe at low jet-to-plate, H=2Dh,
as shown in Figure 5.(f), the radial jet impinges obliquely
on target surface. The low area of velocity contours at the
center of pipe is lager that the case of annular jet at the
same jet-to-plate distance. When jet-to-plate distance
becomes lager, H=4Dh and 6Dh, as shown in Fig.5(d) and
(b), the impingement of jet on target surface becomes
weaker.
Figure 5. Velocity Contour of jet Plane at center of nozzle,
Y/Dh=0 (CFD result, Re=20,000)
Nusselt number distributions
Local Nusselt number distributions on the
impingement surface from experimental result are shown
in Figure 4. Marked black circle at center of each figure
indicates the layout of nozzle outlet. For the case of
annular impinging jet at lower jet-to-plate distance,
H=2Dh and 4d, as shown in Figure 4.(a) and (b), the
Nusselt number distributions are low at the center of pipe
due to effect of rod. However, at higher jet-to-plate
distance, H=6d and 8d, the Nusselt number distributions at
the center of pipe become higher because annular jet at the
jet core combine before impingement as earlier
discussion.
For the case of radial jet at H=2Dh, the areas of low
Nusselt number distributions are larger than the case of
annular one. The low area of Nusselt number distributions
is smaller when angle outlet is larger. This can be
explained that the stagnation region of jet with small
outlet angle (ϴ=45o) is more fare from center of pipe.
However, it can be enhance heat transfer on target surface
by getting larger area of high Nusselt number (Nu>130).
The area of high Nusselt number of radial jet becomes
smaller when outlet angle is lager.
At H≥4Dh, the Nusselt number distributions of radial
jet seem to be lower comparing to the case of annular jet
at the same jet-to-plate distance. This is due to radial jet
impinge weakly on target surface at higher jet-to-plate
distance, H≥4Dh as previously discussed in flow
characteristics.
Figure 6. Local Nusselt number distributions on
impingement surface (Experimental results, Re=20,000,
Tj=27oC)
The distributions of local Nusselt number on
impinged surface along centerline passing stagnation point
for H=2Dh, 4Dh,6 Dh and 8Dh are shown in Fig.7. At low
jet-to-plate distance, H=2Dh as shown in Figure 7.(a), the
peak of Nusselt number for the all cases of radial jet is
Velocity inlet
Impingement surface
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
6
7
8
4
5
2
3
0
1
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
4
5
6
2
3
0
1
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
2
3
4
0
1
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
0
1
2
H =
2D
H =
4D
H =
6D
H =
8D
Annular jet
0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1
0
y/D
hy/D
hy/D
h
x/Dh x/Dh
(a)
(c)
(e) (f)
(d)
(b)Velocity(m/s)
15.6
14.04
12.48
10.92
9.36
7.8
6.24
4.68
3.12
1.56
0
Rad
ial 4
50
H=2DhH=4Dh H=6Dh H=8Dh
Rad
ial 6
00
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6
6
Rad
ial
70
0
-4 0 2 4-2
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6 6-6
6
-4 0 2 4-2
X/Dh
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6
-6
6
-4 0 2 4-2-6 6X/Dh
-4 0 2 4-2-6 6X/Dh
-4 0 2 4-2-6 6X/Dh
An
nu
lar
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
0
-2
-4
2
4
Y/D
h
-6
6
00(a) 00 00(b) (c) 00
000000 00
(d)
(e) (f) (g) (h)
00(l)00(k)0000
00 00 00 00
(j)(i)
(m) (o) (p) (q)
The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand
higher than the case of annular jet. When jet-to-plate
distance become lager larger, H≥4Dh, the peak of Nusselt
number for the case of annular jet seem to be higher than
the case of radial jet at the same jet-to-plate distance.
Figure 7. Local Nusselt number distributions of on the
impinged surface passing the centerline of pipe nozzle
(Experimental results, Re=20,000, Tj=27oC)
CONCLUSIONS
In this study, the flow and heat transfer characteristics
of radial jet are investigated comparing to the case of
annular jet. The results show that, at low jet-to-plate
distance, the impingement region of radial jet is lager that
the case of annular one. It case on enhancement heat
transfer rate of radial jet when compare to the case of
annular one. However, at higher jet jet-to-plate distance,
the radial jet impinges on target surface weakly. The heat
transfer rate of radial jet for all case becomes lower than
the case of annular jet. The effects of outlet angle show
that the heat transfer of radial jet with ϴ=45o at H=2Dh is
the highest. However, at H≥6Dh, the heat transfer rate
decreases rapidly.
NOMENCLATURE
A area of heater surface (m2)
Dh hydrolic diameter of the jet (mm)
H jet-to-plate distance (mm)
h local heat transfer coefficient (W/m2 K)
I current (Ampere)
k jet thermal conductivity (W/m K)
Nu local Nusselt number (–)
��𝑐 conduction heat flux (W/m2)
��𝑟 radiation heat flux (W/m2)
ReE jet Reynolds number (–)
Tj jet temperature (oC)
Tw wall temperature (oC)
(d) REFERENCES
[1] Lee, J. and Lee S.-J., (2000): “The effect of nozzle
aspect ratio on stagnation region heat transfer
characteristics of elliptic impinging jet”. International
Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 43, pp.555-575.
[2] Zhou, D.W and Lee, S.-J. (2004): “Heat transfer
enhancement of impinging jets using mesh screens”.
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 47,
pp.2097-2108.
[3] Mladin, E.C. and Zumbrunnen, D.A. (1997): “Local
convective heat transfer to submerged pulsating jets”,
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46,
pp.3305-3321.
[4] Zhen, H.S., Leung, C.W., and Cheung, C.S. (2012):
“Heat transfer characteristics of an impinging premixed
annular flame jet”. Applied Thermal Engineering, Vol 36,
pp. 386-392.
[5] Ichimiya, K. (2003): “Heat Transfer characteristics of
an annular turbulent impinging jet with a confined wall
measured by thermosensitive liquid crystal”. Heat Mass
Transfer, Vol. 39, pp. 545-511.
[6] Zuckerman, N. and Lior, N. (2006): “Jet Impingement
Heat Transfer: Physics, Correlations, Numerical
Modeling”. Advances Heat Transfer,Vol. 39, pp. 565-631.
[7] Ashforth-Frost, S., Jambunathan, K., and Whitney,
C.F. (1997): “Velocity and Turbulence Characteristics of a
Semiconfined Orthogonally Impinging Slot Jet”.
Experimental Thermal Fluid Sci, Vol.14, pp. 60-67
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(b) H = 4D
h
r/Dh
-6 -4 -2 0 2 4 6
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(a) H = 2D
h
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200Radial jet 45
0
Radial jet 600
Radial jet 750
Annular
(d) H = 8Dh
r/Dh
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Nu
40
60
80
100
120
140
160
180
200(c) H = 6D
h
37
42
ภาคผนวก ง. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis)
43
ภาคผนวก ง. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis)
การค านวณนสเซลตนมเบอร (Nusselt Number) ใชความสมพนธตามสมการ
k
hDNu h (ง.1)
จากสมการนสเซลตนมเบอรสามารถน ามาเขยนแยกเปนสมการยอยไดดงน
kTT
DqqqNu
aww
hnatradinput
)(
)(
(ง.2)
)(
)(
)(
)(
)(
44
aww
hswc
aww
hsw
aww
h
TTk
DTTh
TTk
DTT
TTAk
IVDNu
(ง.3)
1144111 )()()( awwhswawwh TTkDTTTTAkIVDNu (ง.4)
hawwswc DTTkTTh 11 )()( เมอ tDh คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮโดรลกของทอเจท,m
TI คอ กระแสไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส, A V คอ แรงดนไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส, V A T คอ พนทของพนผวแลกเปลยนความรอน, m2 Tw คอ อณหภมบนพนผวทมการจายฟลกซความรอน, oC Taw คอ อณหภมบนพนผวทไมมการจายฟลกซความรอน, oC Ts คอ อณหภมภายในหองทดลอง, oC
ch คอ สมประสทธการพาความรอนแบบธรรมชาต, W/m2•oC k T คอ สมประสทธการน าความรอนของเจท, W/m2•oC ε คอ คาการแผรงสความรอน (Emissivity) ,- คอ คาคงทของสตเฟนและโบลซแมน (Stefan and boltzmann) ,
W/m2•K4 ง.1. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis)
ง.1.1. คาความไมแนนอนของกระแสไฟฟา การค านวณคาความไมแนนอนของกระแสไฟฟาใชความสมพนธตามสมการ
44
)(
)(
aww
h
TTkA
DV
dI
Nud
(ง.5)
ง.1.2. คาความไมแนนอนของแรงดนไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส การค านวณคาความไมแนนอนของความตานทานไฟฟาของแผนสแตนเลสใชความสมพนธตามสมการ
)(
)(
aww
h
TTkA
DI
dV
Nud
(ง.6)
ง.1.3. คาความไมแนนอนของสมประสทธการน าความรอนของอากาศ การค านวณคาความไมแนนอนของสมประสทธการน าความรอนของอากาศใชความสมพนธตามสมการ
)(
)(
)(
)(
)(
)(22
44
2
aww
hswc
aww
hsw
aww TTk
DTTh
TTk
DTT
TTAk
DVI
dk
Nud
(ง.7)
ง.1.4. คาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทมการจายฟลกซความรอน การค านวณคาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทวดทมการจายฟลกซความรอนใชความสมพนธตามสมการ
)(
4
)(
)(
)(
)(3
2
44
2
aww
w
aww
hsw
aww
h
w TT
T
TTk
DTT
TTAk
IVD
dT
Nud
(ง.8)
2)(
)(
)( aww
hswc
aww
hc
TTk
DTTh
TTk
Dh
ง.1.5. คาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทไมมการจายฟลกซความรอน การค านวณคาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทไมมการจายฟลกซความรอน
ใชความสมพนธตามสมการ
22
44
2 )(
)(
)(
)(
)(
)(
aww
hswc
aww
hsw
awwaw TTk
DTTh
TTk
DTT
TTAk
IVD
dT
Nud
(ง.9)
45
ง.1.6. คาความไมแนนอนของอณหภมภายในหองทดลอง
การค านวณคาความไมแนนอนของอณหภมภายในหองทดลองใชความสมพนธตามสมการ
)()(
4)(3
aww
hc
aww
hs
s TTk
Dh
TTk
DT
dT
Nud
(ง.10)
ง.2. การค านวณคาความไมแนนอนของนสเซลตนมเบอร การค านวณคาความไมแนนอนของนสเซลตนมเบอร (Nusselt Number) ท าไดโดยการรวมคาความไมแนนอนของตวแปรทกตวเขาดวยกน สามารถค านวณไดดงน
saww dT
Nud
dT
Nud
dT
Nud
dk
Nud
dV
Nud
dI
NudNu
)()()()()()( (ง.11)
46
ประวตผเขยน
ชอ-สกล นาย วชระ มสกะ รหสประจ าตวนกศกษา 5610120029 วฒการศกษา
วฒ ชอสถาบน ปท ปรญญาตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร 2555
ทนการศกษา ทนเกยรตบตรบณฑตศกษา การตพมพเผยแพรผลงาน
(1) ผลงานการประชมวชาการ (Conference paper) Musika, W., Wae-hayee, M., Vessakosol, P. and Nuntadusit, C., (2014),
“Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics of Radial Impinging Jet”, (The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand)
วชระ มสกะ, มกตาร แวหะย, ภาสกร เวสสะโกศล และชยต นนทดสต, 2558 ลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลตกกระทบในแนวรศม , การประชมวชาการเรองการถายเทพลงงานความรอนและมวลในอปกรณดานความรอนและกระบวนการ ครงท 14, 19-20 มนาคม 2558, ม.เชยงใหม จงหวดเชยงใหม
(2) บทความวชาการ (Journal paper) Musika, W., Wae-hayee, M., Vessakosol, P., Niyomwas, B. and
Nuntadusit, C., (2014), “Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics of Annular Impinging Jet”, Advanced Materials Research, Vol. 931-932, pp. 1223-1227. (The 5th KKU International Engineering Conference 2014 (KKU-IENC 2014), March 27-29, Khon Kaen, Thailand)