Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.1
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pp.49-56
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1997
Heat-transfer enhancement is seeked through modifications of fin surface. Real life plate-fin heat exchangers have complex three-dimensional geometries. Fins can have arrays of dimples and are attached to rows of penetrating tubes. To isolate the effect of surface modification, we model the real flow by a two-dimensional channel flow with a dimple on one side. The flow is analysed by solving the incompressible Navier-Stokes equation by a finite volume method on a generalized boundary-fitted coordinate. Results show a trapped vortex inside the dimple for all cases computed. Local maximum of Nusselt number occurs near the downstream end of the dimple, due to such a vortex. Location of the vortex does not change with respect to the wall temperature change, but moved downstream when Reynolds number increases. This, together with the results that in all cases vortex core is somewhat downstream of the dimple center, suggests that the mean flow above continuously feeds the kinetic energy to the recirculating flow. Heat transfer enhancement and pressure losses are studied through analysing the relevant dimensionless parameters like, Nusselt number and friction factor. In all cases computed, dimpled channel flow experiences less pressure loss than two-dimensional Poiseuille flow.
Choi, W. S.;Angga, S.H.;Kwon, S. H.;Kwon, S. G.;Park, J. M.;Kim, J. S.;Chung, S. W.;Chae, Y. H.
Tribology and Lubricants
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v.31
no.2
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pp.50-55
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2015
This study investigates the effects of a pattern of 200 μm dimples in a hexagonal array on tribological characteristics. A textured surface might reduce the friction coefficient and wear caused by third-body abrasion and thus improve the tribological performance. There are three friction conditions based on the Stribeck curve: boundary friction, mixed friction, and fluid friction conditions. In this experiment, we investigate the friction characteristics by carrying out the friction tests at sliding speeds ranging from 0.06 to 0.34 m/s and normal load ranging from 10 to 100 N. We create dimple surfaces for texturing by using the photolithography method. There are three kinds of specimens with different dimple densities ranging from 10% to 30%. The dimple density on the surface area is the one of the important factors affecting friction characteristics. Friction coefficient generally decreases with an increase in the velocity and load, indicating that the lubrication regime changes depending on the load and velocity. The fluid friction regime is fully developed, as indicated by the duty number graph. Fluid friction occurs at a velocity of 0.14-0.26 m/s. The best performance is seen at 10% dimple density and 200 μm dimple circle in the hexagonal array.
Kim, Jeong-Eun;Ha, Man-Yeong;Yoon, Hyun-Sik;Doo, Jeong-Hoon
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.23
no.12
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pp.805-814
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2011
In the present study, the detailed flow structure and heat transfer characteristics in the newly-designed heat transfer surface geometry were investigated. The surface geometry proposed in the present study is a traditional dimple structure combining with a protrusion inside the dimple, which is named a protrusion-in-dimple in this study. The basic idea underlying the present surface geometry is to enhance the flow mixing and the corresponding heat transfer in the flow re-circulating region generated by a conventional dimple cavity. The present study was performed by the direct numerical simulation at a Reynolds number of 2800 based on mean velocity and channel height and Prandtl number of 0.71. Three different protrusion heights for protrusion-in-dimples were considered as the main design parameter of the present study. The calculated pressure drop and heat transfer capacity were assessed in terms of the Fanning friction factor and Colburn j factor. The overall performances estimated in terms of the volume and area goodness factor for protrusion-in-dimple cases were higher than the conventional dimple case.
Choi, H. J.;Hermanto, A. S.;Kwon, S. H.;Kwon, S. G.;Park, J. M.;Kim, J. S.;Chung, S. W.;Chae, Y. H.;Choi, W. S.
Tribology and Lubricants
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v.31
no.6
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pp.308-315
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2015
In the tribological performance of materials, a textured surface reduces the friction coefficient and wear. This study investigates the effects of a pattern of 300 µm dimples in a hexagonal array on the tribological characteristics. Previous studies investigated 200 µm dimples by using a similar material and method. There are three frictional conditions based on the Stribeck curve: boundary friction, mixed friction, and fluid friction. In this experiment, we investigated the frictional characteristics by conducting frictional tests at sliding speeds ranging from 9.6 rpm to 143.3 rpm and a normal load ranging from 13.6 N to 92 N. We used a photolithography method to create dimples for surface texturing. We used five specimens with different dimple densities 10%, 15%, 20%, 25%, and 30% in this study. The dimple density on the surface area is one of the important factors affecting the friction characteristics. The duty number graph indicates a fully developed fluid friction regime. Fluid friction occurs at a velocity of 28.7-143.3 rpm. We observed the best performance at a dimple density of 10% and a dimple diameter of 300 µm in the hexagonal array, the lowest friction coefficient at 0.0037 with 9.6 rpm 9.6N load, and the maximum friction coefficient at 0.0267 with 143.3 rpm 92N load.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.31
no.5
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pp.451-457
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2014
Surface roughness of mechanical components is an important factor which affects the tribological phenomena. Various surface patterns have been applied to surfaces to improve the tribological characteristics of mechanical components. In this work, the friction reduction effect of micropatterns on silicon was investigated. For this purpose, micro-dimple patterns were fabricated on silicon wafer by DRIE process. In the friction experiments silicone oil was used as lubricant. Also, the lubricant was cleaned to simulate a lubricant depleted condition. In depleted lubricated condition, friction coefficient of micro-pattern specimens was lower than specimens without micro-patterns. It was found that friction reduction effect of micro-pattern could be successfully maintained even after cleaning the lubricant on the surface.
Friction reduction between machine components is important for improving their efficiency and lifespan. In recent years, surface texturing has received considerable attention as a viable means to enhance the efficiency and tribological performance of highly sliding mechanical components such as parallel thrust bearings, mechanical face seals, and piston rings. In this study, we perform lubrication analysis to investigate the effect of dimple shapes and orientations on the lubrication characteristics of a surface textured parallel thrust bearing. Numerical analysis involves solving the continuity and Navier-Stokes equations using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT. We use dimples consisting of hemispherical and different semiellipsoidal orientations for simulation. We compare pressure and streamline distributions, load capacity, friction force, and leakage flowrate for different numbers of dimples and orientations. We find that the dimple shapes, orientations, and their numbers starting from an inlet influence the lubrication characteristics. The results show that partial texturing of the bearing inlet region, and the ellipsoidal dimples with the major axis aligned along the lubricant flow direction exhibit the best lubrication characteristics in terms of higher load capacity and lower friction. The results can be used in the design of optimum dimple characteristics for parallel thrust bearings, for which further research is required.
This study presents a numerical procedure to optimize the shape of a staggered dimpled surface to enhance the turbulent heat transfer in a rectangular channel. A optimization technique based on neural network is used with Reynolds-averaged Navier-Stakes analysis of the fluid flow and heat transfer with Shear Stress Transport turbulence model. The dimple depth-to-dimple print diameter ratio, channel height-to-dimple print diameter ratio, and dimple print diameter-to-pitch ratio are chosen as design variables. The objective function is defined as a linear combination of terms related to heat transfer and friction loss with a weighting factor. Latin Hypercube Sampling is used to determine the training points as a mean of the Design of Experiment. Optimal values of the design variables were obtained in a range of the weighting factor.
Gyawali, Gobinda;Joshi, Bhupendra;Tripathi, Khagendra;Lee, Soo Wohn
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2015.05a
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pp.43-44
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2015
Electrodeposited Ni and Ni-SiC composite coatings were prepared on Cu substrates by using the Ni-Sulfamate electrolytic bath. Thus prepared samples were subjected for the two different types of post surface modification techniques; i.e. Laser Surface Texturing (LST) and Ultrasonic Nano Surface Modification (UNSM), respectively in order to investigate their effects on surface and interface related properties of the coatings. Hemispherical dimples, with 80 to 200 um dimple spacing, were created and examined on the surfaces of the materials studied. The results revealed that micro-surface texturing with 150 um dimple spacing considerably improved the coefficient of friction. Dimple spacing accuracy and incorporated second phase ceramic particles both contributed significantly to reduction in coefficient of friction. On the other hand, application of UNSM considerably modified the surface topography, led to increase the Vickers microhardness, and reduced the wear and coefficient of friction as compared to non UNSM treated Ni and Ni-SiC samples.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.30
no.8
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pp.847-853
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2013
Micro-dimples on sliding surfaces have been investigated to reduce the frictional forces on metal bearing surfaces; however, for an elastomer, such as thermoplastic polyurethane (TPU), this has not been studied. The material properties of an elastomer are affected by temperature, and this can shorten the life of the elastomer. In this paper, micro-dimples were applied on the surface of an elastomer in order to reduce the frictional heating, which was experimentally investigated using pin-on-disk apparatus while the surface temperature was measured. To obtain optimal design parameters, the design of the experiment was applied, and the shape of the section, size, depth and density of micro-dimples were selected as the design parameters. The results show that the size of the dimple is the most important design parameter.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.39-44
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2008
In this paper, heat transfer coefficients were measured in a channel with one side dimpled surface. The sphere type dimples were fabricated and the diameter and depth of dimple was 16mm and 4mm, respectively. Two channel heights of about 0.6 and 1.2 time of the dimple diameter, two dimple configuration were tested. The Reynolds numbers based on the channel hydraulic diameter was varied from 30000 to 50000. The improved hue detection based transient liquid crystal technique was used in the heat transfer measurement. Heat transfer measurement results showed that high heat transfer was induced downstream of dimples due to flow reattachment. Due to the flow recirculation on the upstream side in the dimple, the heat transfer coefficient was very low. As the Reynolds increased, the overall heat transfer coefficients also increased. With same dimple arrangement, the heat transfer coefficients and the thermal performance factor were higher for the lower channel height. As the distance between dimples became smaller, the overall heat transfer coefficient and the thermal performance factor were increased.
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