In this thesis, heat transfer characteristics of single-phase and two-phase impinging jets are investigated. The present research work is divided into two parts. One is a single-phase impinging jet part. The effects of pumping power, nozzle-to-plate spacing, degree of confinement, lateral conduction, and Prandtl number on the Nusselt number are considered. The results show that the Nusselt number is independent of the nozzle-to-plate spacing and the degree of confinement under fixed pumping power conditions. Based on the experimental results, a simple correlation for the Nusselt number is developed as a function of the pumping power and Prandtl number. In the two-phase impinging jet part, the effects of volumetric quality and nozzle diameter on the Nusselt number are considered. Air is used as the gas phase and water is used as the liquid phase. The results show that the Nusselt nuber has optimum point at around 0.2-0.3 of the volumetric quality. In addition, flow patterns of two-phase impinging jets are observed. The optimum point of the Nusselt number is in bubbly flow region. The Nusselt number is independent of the nozzle diameter. Based on the experimental results, a correlation for the normalized Nusselt number is developed as a function of the volumetric quality.
충돌제트는 높은 가열 및 냉각 성능을 가짐으로 인해 고성능 가열 및 냉각이 필요한 산업 분야에 널리 사용되고있다. 충돌제트가 사용되는 산업 분야로는 터빈 블레이트 냉각, 전자장비 냉각, 금속 풀림, 섬유 건조 등을 들 수 있다. 이런 다양한 산업체에서의 활용으로 인해 최근 수십년 동안 충돌제트의 열전달 특성에 관한 연구가 많이 진행 되어왔다.
본 연구에서는 단상유동 충돌제트의 경우 노즐과 충돌평판 사이의 거리 및 con-finement 정도 그리고 lateral conduction 이 열전달 특성에 미치는 영향을 고려하였고, 이상유동 충돌제트의 경우 체적건도 및 노즐 직경이 열전달 특성에 미치는 영향을 고려하였다. 충돌제트의 압력강하를 고려한 고정된 유량 및 고정된 펌핑파워 조건하에서 충돌제트의 열전달 특성에 관한 실험을 수행하였다. 공급된 유량과 압력강하의 곱인 펌핑파워는 냉각시스템의 구동 비용과 직접적으로 관련되어있는 중요한 제약조건이다.
단상유동 충돌제트의 경우 공급되는 유량이 고정되어 있을 경우, 충돌제트 열전달 성능은 노즐과 충돌평판 사이의 거리가 감소함에 따라 그리고 confinement 정도가 감소함에 따라 증가함을 확인하였다. 반면, 펌핑파워가 고정되어 있을 경우, 충돌제트 열전달 성능은 노즐과 충돌평판 사이의 거리와 confinement 정도에 무관함을 확인하였다. 연구결과를 바탕으로 Nusselt 수에 대한 관계식을 펌핑파워와 Prandtl 수의 함수로 제시하였다. 또한 마이크로 스케일 충돌제트에서 lateral conduction 효과가 온도측정에 매우 중요한 변수임을 확인하였다. 추가적으로 충돌제트의 hydraulic jump 반경을 측정하였고, 무차원 hydraulic jump 반경에 대한 관계식을 펌핑파워만의 함수로 새로이 제시하였다.
이상유동 충돌제트의 경우 공급되는 물의 유량이 고정되어 있을 경우, 체적건도가 증가함에 따라 충돌제트의 열전달 성능이 증가하는 반면, 펌핑파워를 고정할 경우 체적건도 0.2-0.3 영역에서 최대 열전달 성능이 나타나는 것을 확인 하였다. 노즐의 직경의 변화는 충돌제트의 열전달 특성에 무관함을 확인 하였다. 이상유동 충돌제트의 유동패턴을 관측함으로써 열전달 특성과 유동 특성의 관계를 본 연구를 통해 규명하였다. 최종적으로 연구 결과를 바탕으로 Nusselt 수에 대한 관계식을 체적건도만의 함수로 제시하였다.
