While an impinging jet has been widely investigated because of its remarkable convective heat transfer performance, the impingement of a sweeping jet which undergoes periodic oscillation has drawn little interest. We experimentally examined the heat transfer of a sweeping jet impinging on a flat wall for several Reynolds number and nozzle-to-plate spacings and discovered unsteady flow structure to characterize heat transfer capability. Local Nusselt number on the wall was evaluated by measuring temperature with thermocouples, and a flow was measured using Particle Image Velocimetry (PIV). The distribution of the Nusselt number of a sweeping jet is different from that of a round jet, exhibiting two distinct regions. Near the center of a sweeping jet, a plateau of high Nusselt number is formed without a noticeable peak commonly observed in a round jet. Away from the central region, the Nusselt number decreases monotonically. The trends of the Nusselt number at the two regions are correlated with the first mode of the flow structure obtained by proper orthogonal decomposition (POD). The boundary of the two regions is a local minimum of the first POD mode near the wall, and the magnitude of the first POD mode is large in the central region of high Nusselt number. It was also found that the distributions of mean lateral velocity and lateral velocity fluctuation were clearly different between the two regions, which implies that both quantities should be considered for the analysis of heat transfer performance.
고체 표면에 수직으로 분사되는 제트 (충돌 제트)는 탁월한 대류 열전달 성능으로 인해 다양한 관점에서 연구됐지만, 비정상적 진동 움직임을 갖는 제트 (스위핑 제트)가 고체 표면에 충돌하였을 때 발생하는 현상에 대한 연구는 아직 수행되지 않았다. 본 논문에서는 몇 가지 Reynolds 수와 노즐과 고체 표면과의 거리에서 스위핑 제트가 고체 표면에 충돌하였을 때 고체 표면에서의 열전달 성능과 유동 구조를 실험적으로 연구하였으며, 이를 통해 열전달 효율 특성에 기인하는 유동 구조를 밝혔다. 고체 표면에서 지역적 Nusselt 수는 열전대를 이용한 온도 측정법을 통해 측정되었으며 유동장은 입자 영상 유속계를 통해 계측되었다. 스위핑 충돌 제트의 Nusselt 수의 분포는 그 특징에 따라 Nusselt 수의 최댓값이 일정하게 유지되는 영역과 단조롭게 감소하는 영역이 나뉜다. 두 영역에서 나타나는 Nusselt 수의 특징은 적합 직교분해기법 (POD)을 통해 얻은 유동 구조의 첫 번째 모드와 상관관계가 있다. 두 영역의 경계는 충돌 표면 근처의 첫 번째 POD 모드의 최솟값이며 첫 번째 POD 모드의 크기는 Nusselt 수가 큰 지점인 중앙에서 큰 값은 갖는다. 또한, 수평 방향 평균 속도와 수평 방향 속도 변동 분포가 두 영역에서 명확히 다르다는 것을 발견했으며, 이는 수평 방향의 평균 속도와 속도 변동이 열전달 특성 분석에 고려돼야 함을 나타낸다.
