The jet impingement cooling characteristics are investigated experimentally. The study is motivated by the potential application of local hot spot cooling by means of the vortex tube. The purposes of this research are to examine the effect of the nozzle-block spacing and flow rate. The results of jet through vortex tube is compared with ones of circular Jet. Flow visualization by the smoke-wire technique is also performed to investigate the flow structure. As the nozzle-block spacing is increased and flow rate decreased, the cooling effect of the Jet through the vortex tube decreases mere remarkably than that of the circular jet. So the cooling effect for the jet through the vortex tube is higher than that for the circular jet at $H/D{\leq}3$, $Q{\geq}10m^3/h$.
Water jet impingement cooling has been widely used in a various engineering applications; especially in cooling of hot steel plate of steelmaking processes and heat treatment in hot metals as an effective method of removing high heat flux. The effects of cooling water temperature on water jet impingement cooling are primarily investigated for hot steel plate cooling applications in this study. The local heat flux measurements are introduced by a novel experimental technique that has a function of high-temperature heat flux gauge in which test block assemblies are used to measure the heat flux distribution during water jet impingement cooling. The experiments are performed at fixed flow rate and fixed nozzle-to-target spacing. The results show that effects of cooling water temperature on the characteristics of jet impingement heat transfer are presented for five different water temperatures ranged from 5 to $45^{\circ}C$. The local heat flux curves and heat transfer coefficients are also provided with respect to different boiling regimes.
The purpose of this study is to investigate cooling performance of high power LEDs from 100 to 200 W class by using a jet impingement cooling module. The numerical analysis of forced convection cooling inside cooling module is carried out using a multi-purpose CFD software, FLUENT 6.3. In the experiments, the LED cooling system consists of jet impingement module, heat exchanger, water reservoir, and pump. In the present study, the cooling performance of jet impingement cooling module is investigated to determine the effect of the heat sink types on the impinging surface, the space and length of fins. Numerical and experimental studies show the reasonable agreement of LED metal PCB temperature between those results and give the optimized design parameters such as the space of fin and the length of fin. Also, the pin fin type of heat sink is found to be more efficient than the plate type heat sink in jet impingement cooling.
Impingement cooling utilizing synthetic jets is emerging as a popular cooling technique because of its high local cooling efficiency. The interaction between the vortex structure of the synthetic jet and the surface is crucial in understanding the mechanism of this technique. In this study, the impinging vortex structure and its advection are investigated by experiments with jet-to-surface spacing $2{\leq}H/D{\leq}7$, and synthetic jet Reynolds number $5120{\leq}Re{\leq}9050$. Using phase-locked particle image velocimetry, ensemble averaged (phase averaged) flow fields are obtained, and vortex identification and quantification techniques are applied. The shape, trajectory, and intensity change of the vortex are assessed. A sharp decline in the vortex intensity and the occurrence of a counter-rotating vortex at the impingement point are observed.
An experimental study has been carried out for jet-impingement cooling on the semi-circular concave surface. Two different nozzles(round edged nozzle and rectangular edged nozzle) are utilized and heat transfer coefficients on the concave surface have been measured under a constant heat flux condition. The characteristics of heat transfer has been discussed in conjunction with measured jet flow. Velocity and turbulence intensity of free jets issuing from two different nozzles have been measured by Laser Doppler Anemometry and theromocouple measurements have been done for temperatures on the concave surface. The effects of the nozzle shape, the distance between the nozzle exit and the stagnation point of the surface and the nozzle exit velocity on heat transfer were studied.
Impingement/effusion cooling technique is used for combustor liner or turbine parts cooling in gas turbine engine. In the impingement/effusion cooling system, the crossflow generated in the cooling channel induces an adverse effect on the cooling performance, which consequently affects the durability of the cooling system. In the present study, to reduce the adverse effect of the crossflow and improve the cooling performance, circular pin fins are installed in impingement/effusion cooling system and the heat transfer characteristics are investigated. The pin fins are installed between two perforated plates and the crossflow passes between these two plates. A blowing ratio is changed from 0.5 to 1.5 for the fixed jet Reynolds number of 10,000 and five circular pin fin arrangements are considered in this study. The local heat/mass transfer coefficients on the effusion plate are measured using a naphthalene sublimation method. The results show that local distributions of heat/mass transfer coefficient are changed due to the installation of pin fins. Due to the generation of vortex and wake by the pin fin, locally low heat/mass transfer regions are reduced. Moreover, the pin fin prevents the wall jet from being swept away, resulting in the increase of heat/mass transfer. When the pin fin is installed in front of the impinging let, the blockage effect on the crossflow enhances the heat/mass transfer. However, the pin fin installed just behind the impinging jet blocks up the wall jet, decreasing the heat/mass transfer. As the blowing ratio increases, the pin fins lead to the higher Sh value compared to the case without pin fins, inducing $16\%{\~}22\%$ enhancement of overall Sh value at high blowing ratio of M=1.5.
An experimental investigation was conducted to investigate the heat/mass transfer for impingement/effusion cooling system with inclined jet. Jets with inclined angle of 60 are applied to impingement/effusion cooling. At the jet Reynolds number of 10,000, the experiments were carried out for blowing ratios ranging from 0.0 to 1.5. The local heat/mass transfer coefficients on the effusion plate are measured using a naphthalene sublimation method. The result indicates that the inclined jet causes the non-uniform and low heat/mass transfer compared to the vertical jet. At stagnation region, the peak position is shifted from the geometrical center of injection hole due to Coanda effect and its level is higher than that of vertical jet due to increase in turbulence intensity by steep velocity gradient near the stagnation region. Further, the secondary peak region disappears because the interaction between adjacent wall jets weakens. When the initial crossflow occurs, the distorted heat/mass transfer pattern appears. As the blowing ratio (crossflow rate) increases, the heat/mass transfer distributions become similar to those of the vertical jet. This is because the effect of crossflow is dominant compared to that of inclined jet under high blowing ratio $(M{\geq}1.0)$. At low blowing ratio $(M{\leq}0.5)$, averaged Sh value is 10% lower than that of vertical jet, whereas its value at high blowing ratio $(M{\geq}1.0)$ is similar to that of vertical jet.
An experimental study of jet flow and heat transfer has been carried out for the jet impingement cooling on a semi-circular concave surface. For the jet impingement on the concave surface, three different regions-free jet region, stagnation region, and wall jet flow region-exist, and the distributions of mean velocity and fluctuating velocity for each region have been measured by Laser Doppler Velocimeter. Of particular interests are the effects of jet Reynolds number, the distance between the nozzle exit and cooling surface apex, and the distance from the stagnation point in the circumferential direction. The resulting characteristics of heat transfer at the stagnation point and the variation of heat transfer along the circumferential direction including the existence of secondary peak have been explained in conjunction with measured impinge jet flow.
Water jet impingement cooling is used to remove heat from high-temperature surfaces such as hot steel plates in the steel manufacturing process (thermo-mechanical cooling process; TMCP). In those processes, uniform cooling is the most critical factor to ensure high strength steel and good quality. In this study, experiments are performed to measure the heat transfer coefficient together with the inverse heat conduction problem (IHCP) analysis for a plate cooled by planar water jet. In the inverse heat transfer analysis, spatial and temporal variations of heat transfer coefficient, with no information regarding its functional form, are determined by employing the conjugate gradient method with an adjoint problem. To estimate the two dimensional distribution of heat transfer coefficient and heat flux for planar waterjet cooling, eight thermo-couple are installed inside the plate. The results show that heat transfer coefficient is approximately uniform in the span-wise direction in the early stage of cooling. In the later stage where the forced-convection effect is important, the heat transfer coefficient becomes larger in the edge region. The surface temperature vs. heat flux characteristics are also investigated for the entire boiling regimes. In addition, the heat transfer rate for the two different plate geometries are compared at the same Reynolds number.
Investigation of leading edge impingement cooling for first stage rotor blades in an aero-engine turbine, its effect on rotor temperature and trailing edge wake loss have been undertaken in this study. The rotor is modeled with the nozzle for attaining a more accurate simulation. The rotor blade is hollowed in order for the coolant to move inside. Also, plenum with the 15 jet nozzles are placed in it. The plenum is fed by compressed fresh air at the rotor hub. Engine operational and real condition is exerted as boundary condition. Rotor is inspected in two states: in existence of cooling technique and non-cooling state. Three-dimensional compressible and steady solutions of RANS equations with SST K-ω turbulent model has been performed for this numerical simulation. The results show that leading edge is one of the most critical regions because of stagnation formation in those areas. Another high temperature region is rotor blade tip for existence of tip leakage in this area and jet impingement cooling can effectively cover these regions. The rotation impact of the jet velocity from hub to tip caused a tendency in coolant streamlines to move toward the rotor blade tip. In addition, by discharging used coolant air from the trailing edge and ejecting it to the turbines main flow by means of the slot in trailing edge, which could reduce the trailing edge wake loss and a total decrease in the blade cooling loss penalty.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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