The heat transfer performance of circular, air-assisted liquid water jets is experimentally observed over a wide range of physical parameters, including nozzle tube diameter and surface tension. Dimensional analysis is used to identify the parameters of importance. A new correlation of the local Nusselt number is suggested along with a separate correlation of the average Nusselt number for several values of r/D. The new correlations allow for prediction of heat transfer performance over a much broader range of conditions than previously available. Trends in both local and averaged heat transfer are discussed, including the effect of the liquid Weber number which has not been included in any previous analysis. The maximum stagnation point Nusselt number enhancement was 2.6 times the liquid only value. The maximum enhancement of the averaged Nusselt number (at a radius of five tube diameters) was 1.8 times the liquid only value. A clear trend of decreasing averaged heat transfer with increasing liquid Weber number is observed. Flow visualization of the two-phase flow patterns and water splatter are used to explain the observed heat transfer trends. The two-phase flow pattern affects the heat transfer in the region near the stagnation point, but does not affect the radial flow region. An experiment to quantitatively evaluate water splatter was also conducted. Water splatter is shown to correlate well with both gas Reynolds number and liquid Weber number, and has a significant effect on heat transfer outside the impingement region. Finally, optimal operating points for each tube size in the present study, in terms of the dimensionless pumping power requirement, are observed for several values of r/D . It is shown that small air injection rates into large diameter jets can cause reduced heat transfer.
본 연구에서는 실험을 통해 관의 직경과 표면 장력 등을 비롯한 다양한 물리적인 변수들이 공기보조식 원형 물 제트(Circular air-assisted water jet)의 열성능에 미치는 영향을 알아보았다. 제트의 열성능에 영향을 미치는 주요 물리 변수들을 밝혀내기 위해 차원해석을 수행하였으며, 주요 변수들을 반영하여 여러 r/D에서의 국소 Nusselt 수와 평균 Nusselt 수를 예측할 수 있는 새로운 상관식을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 상관식들은 기존에 고려되지 않았던 Weber 수의 영향을 반영하였고 기존 상관식에 비해 더 넓은 적용 조건을 가진다. 또한 제트의 작동조건에 따른 국소 및 평균 Nusselt 수의 변화를 관측하고 이에 대하여 고찰하였다. 실험결과에 따르면 정체점(Stagnation point)에서 공기보조식 제트의 최대 Nusselt 수는 물만 이용한 제트의 Nusselt 수에 비해 2.6 배 더 높다. 또한, 평균 Nusselt 수 역시 물 제트에 비해 최대 1.8배 높다. 물의 Weber 수가 증가할수록 평균 열전달 성능은 저하되며, 이상유동의 유동양식 관측과 Water splatter 측정을 통해 그 이유를 파악하였다. 정체점 근처에서는 이상유동의 유동양식이 열전달 성능에 큰 영향을 미치지만, 정체점에서 떨어진 영역에서의 열전달 특성은 유동양식에 영향을 받지 않았다. 제트의 충돌영역 바깥부분에서는 Water splatter 현상이 열성능에 많은 영향을 미치기 때문에 제트의 조건에 따른 Water splatter 양의 변화를 정량적으로 측정하기 위한 실험이 수행하였다. 이를 통해 공기의 Reynolds 수와 물의 Weber 수에 따른 Water splatter 양을 예측하는 상관식을 개발하였다. 최종적으로, 본 연구에서는 다양한 관 사이즈에 대하여 무차원화된 펌핑파워가 주어졌을 때, r/D 값에 따른 최적 작동 점을 관측하였다. 관 직경이 큰 경우, 제트에 추가된 작은 유량의 공기가 오히려 열성능을 저하시킬 수 있음을 확인하였다.
