In this study, the effect of inclination on impinging jets at small nozzle-to-plate spacing was experimentally investigated. Parameters varied in the experiments were the Reynolds number (Re = 5000 - 25000), the inclination angle of the flat plate (θ = 0° - 40°) and the dimensionless nozzle-to-plate spacing ($H/d_h$ = 0.125 - 1). The hydraulic diameter of the slot jet was fixed at 4 mm and air was used as the working fluid. Thermocouples were used to measure local temperatures so that the impingement point and average Nusselt numbers and their distributions on the inclined plate could be obtained. Experimental results show that the effect of inclination on impinging jets at the small nozzle-to-plate spacing is totally different from that at the large nozzle-to-pate spacing.
First, pressure drop at the jet exit increased linearly as the inclination angle of the flat plate increased at small nozzle-to-plate spacing, while the inclination didn’t affect the pressure drop at large nozzle-to-plate spacing. Second, the impingement point and average Nusselt numbers increased with increasing inclination angle. Finally, it was shown that the increase in the Nusselt numbers with increasing inclination angle resulted from the increase in the pumping power of the impinging jet which was caused by the increase in pressure drop at the jet exit. Based on the experimental results, correlations for the impingement point and average Nusselt numbers of the impinging jet are suggested as functions of the pumping power alone.
충돌제트는 높은 가열 및 냉각 성능을 가짐으로 인해 고성능 가열 및 냉각이 필요한 산업 분야에 널리 사용되고 있다. 충돌제트가 사용되는 산업 분야로는 터빈 블레이트 냉각, 전자장비 냉각, 금속 풀림, 섬유 건조 등을 들 수 있다. 산업체에서의 이러한 높은 활용도로 인해 최근 수십년 동안 충돌제트의 열전달 특성에 관한 연구가 활발히 진행 되어왔다. 하지만 실제 산업현장에서는 기울어진 평판이나 곡면 위에 충돌제트를 적용하여 가열, 냉각하는 방식이 더 많은 비중을 차지한다. 현재까지 선행 연구자들은 기울어진 평판에서의 충돌제트 열전달 특성에 관해 노즐 직경(dh)과 노즐-평판간 거리(H)의 비($H/d_h$)가 1이상인 영역에서 실험을 수행하였으나 최근 $H/d_h$가 1이하인 낮은 노즐-평판간 거리 영역에서 충돌 제트의 열전달 성능이 급격히 증가하는 것으로 확인되었다. 이처럼 낮은 노즐-평판간 거리 영역에서는 충돌제트의 특성이 달라짐에도 불구하고, 기울어진 평판 위에서의 충돌제트에 대한 연구는 높은 노즐-평판간 거리 영역에서만 수행되어왔다. 따라서, 본 연구에서는 낮은 노즐-평판간 거리영역에서 평판의 기울기가 충돌제트에 미치는 영향을 실험적으로 알아보았다.
실험 결과, 낮은 노즐-평판간 거리영역에서는 높은 노즐-평판간 거리영역에서와 구별되는 특성이 나타남을 확인할 수 있었다. 먼저, 로컬 누셀트수 분포를 살펴보면 낮은 노즐-평판간 거리 영역에서 평판의 기울기를 증가 시킬 때 충돌점 부근의 Uphill면에서 누셀트수가 급격히 증가하며, 최대 열전달 점은 Uphill방향으로 이동함을 확인하였다. 다음으로, 낮은 노즐-평판간 거리영역에서 노즐 출구에서의 압력 강하는 기울기가 증가할수록 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 반면 높은 노즐-평판간 거리영역에서 평판의 기울기는 압력강하에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 충돌점 누셀트수의 경우 높은 노즐-평판간 거리 영역에서와는 달리, 낮은 노즐-평판간 거리영역 에서는 최대 16%의 증가를 보였다. 평균 누셀트수 또한 높은 노즐-평판간 거리영역에서는 경사각의 변화에 따라 그 변화가 없는 것과는 달리, 낮은 노즐-평판간 거리 영역에서는 경사각의 증가에 따라 함께 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 낮은 노즐-평판간 거리 영역에서 충돌제트를 기울여 적용하였을 때, 열성능의 향상을 얻을 수 있음을 확인하였다. 노즐 출구에서의 압력강하 경향과 누셀트수 경향 사이의 관계를 살펴본 결과, 누셀트 수의 이러한 증가는 평판의 기울기 증가에 따른 충돌제트 펌핑파워의 증가에 의한 것임을 확인하였다. 즉 낮은 노즐-평판간 거리 영역에서 경사각의 증가에 따른 충돌제트 열성능 향상은 충돌제트를 발생시키는 에너지가 그만큼 공급되었기 때문에 얻어진 것이었다.
