heat transfer and flow structures in axisymmetric impinging jet controlled by vortex pairing

8
Heat transfer and ¯ow structures in axisymmetric impinging jet controlled by vortex pairing S.D. Hwang, C.H. Lee, H.H. Cho * Department of Mechanical Engineering, Yonsei University, 134, Shinchon-dong, Seodaemun-gu, 120-749 Seoul, South Korea Abstract An experimental study is conducted to investigate the ¯ow and heat transfer characteristics of an impinging jet controlled by vortex pairing. Two kinds of vortex control methods of secondary shear ¯ow and acoustic excitation are applied. Local Nusselt numbers are measured on the impingement surface. Flow visualization, measurements of velocity and turbulence intensity and FFT analysis are used to understand the ¯ow structures. The velocity ratio is changed from 0.45 to 1.75 for the shear ¯ow control and the tested Strouhal number excitation frequency, St D ) is 1.2, 2.4, 3.0 and 4.0 for the acoustic excitation. Enhancement or reduction in heat transfer is obtained by the control of vortex pairing due to the change of ¯ow structures. When the vortex pairing is promoted by the secondary counter-¯owing suction ¯ow) and St D 1:2, low heat transfer rates are obtained at large nozzle-to-plate distances. Conversely, the jet ¯ow has an extended potential core length with the secondary co-¯owing blowing ¯ow) and St D 2:4 and 3.0. Thus high heat transfer rates are obtained at large gap distances. Ó 2001 Elsevier Science Inc. All rights reserved. Keywords: Vortex pairing; Shear ¯ow control; Acoustic excitation; Heat transfer coecients; Potential core 1. Introduction An impinging jet is a common method for heating, cooling or drying material and solid surfaces. Heat transfer under an impinging jet is generally superior to that achieved with a typical convective heat transfer method. With an impinging jet, it is easy to adjust the location of interest and to remove a large amount of heat on the impingement surface. For these reasons, the impinging jet cooling/heating technique has been widely used in many industrial systems such as cooling of high-tem- perature gas turbines, drying of paper or textiles, and pro- cessing of steel or glass. In recent years, it has been applied to cool high-density electrical and electronic equipment. There- fore, heat transfer and ¯uid ¯ow characteristics between a single jet or multiple impinging jets and a ¯at surface have been the subjects of numerous investigations for many years. However, the details of the ¯ow structures and heat transfer mechanism have not been stated clearly. Gardon and Ak®rat 1965) examined the local heat transfer coecient on the impinging surface in¯uenced by the turbu- lence from the impinging jet. Martin 1977) summarized the heat and mass transfer characteristics of impinging jets for the dierent nozzle types and con®gurations: single round nozzle, single slot nozzle, arrays of round nozzle and arrays of slot nozzle. Hoogendoorn 1977) investigated the eect of turbu- lence intensity of impinging circular jets on the stagnation re- gion heat transfer for a small nozzle-to-plate distance. Goldstein and Franchett 1988) performed a study of local heat transfer characteristics of an oblique impinging jet using thermochromic-liquid crystal. Kataoka et al. 1986) showed that the heat transfer on the impingement surface was greatly enhanced with large-scale intense eddy and vortex motion. Huang and Elgenk 1994) investigated experimentally heat transfer between a uniformly heated ¯at plate and an impinging circular air jet to determine the values of the local and average Nusselt numbers, particularly for small values of Reynolds number and jet spacing. Jambunathan et al. 1992) and Visk- anta 1993) reviewed extensively numerous studies of jet im- pingement heat transfer. Lytle and Webb 1994) investigated the heat transfer characteristics of a circular air impinging jet for small nozzle-to-plate spacings. The main issue about im- pinging jet is the enhancement of heat transfer rates or in- creasing of uniformity on the impingement surface by the control of jet ¯ow. Several studies were carried out to increase the heat transfer rates of impinging jets. Zaman and Hussain 1980a,b) found that there exists a preferred mode in which the turbulence intensity of the ¯ow is higher than that of the non- excited jet in acoustic excitation. Liu and Sullivan 1996) and Hwang et al. 2000) investigated the characteristics of acousti- cally excited circular impinging jets and concluded that the heat transfer rates can be increased or decreased by the change of excited frequency. For the change of nozzle exit condition and shape, Huang and El-Genk 1980) obtained more uniform heat transfer eects on the impingement surface using multi-channel swirl generators and found that the heat transfer characteristics of impinging jet are aected by the nozzle exit condition and International Journal of Heat and Fluid Flow 22 2001) 293±300 www.elsevier.com/locate/ijh * Corresponding author. E-mail address: [email protected] H.H. Cho). 0142-727X/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science Inc. All rights reserved. PII: S 0 1 4 2 - 7 2 7 X 0 1 ) 0 0 0 9 1 - 1

Upload: ekkachai-prabnakorn

Post on 30-Jul-2015

24 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

���� �������� �� �� ��� �� ��� �� ������������ ��������� ������������ �� ������ �������

���� ������ ���� ���� ���� ���

���������� ��� ������ ������������ ����� ����������� ���� � ��� ������ ������������ �� �!�" ����� ��� #���

��������

!� ������������ �� � �� ��� ��� �� ����������� ��� �� �� ���� �������� ��������������� �� �� ��������� ��� ��������� ��

������ �������� "�� #��� �� ������ ������� ������ �� �������� ����� �� �� ��� ���� ���������� ��� ������� ����� $ �����

� ����� ��� ���� �� �� ��� ����������� � ������ %��� ��� ���&������ ���� ������� �� �������� �� � �� ����� ��������� �� %%"

�������� ��� �� �� ������� ��� �� ��� �� ���� "�� �������� ����� �� ������ ���� '�() �� *�+) ��� ��� ����� �� ������� �� ���

����� ���� ��� � ���� ,���������� ���- ����� ���. �� *�/� /�(� 0�' �� (�' ��� ��� ��� ���� ����������� 1���������� �� �� ����� ��

���� �������� �� ������� �� ��� ������� �� ������ ������� � �� ��� ������ �� �� ��� �� ���� 2��� ��� ������ ������� �� �������

�� ��� �������� �� ����3����� ,� ����� ��. �� ��� � *�/� ��� ���� �������� ����� ��� ������� �� ����� ��&&��3��3����� ���������

����������� ��� ��� �� ��� �� ������ ��������� ���� ������ ���� ��� �������� ��3����� ,������� ��. �� ��� � /�( �� 0�'�

"� � ���� ���� �������� ����� ��� ������� �� ����� ��� ��������� � /''* 1������� ������� 4��� !�� ������ ��������

#��$���% 5����� �������6 ����� �� �������6 !�� ���� ����������6 ���� �������� ���7������6 8�������� ����

� ���� ������

!� ��������� ��� �� � ������ ����� ��� �������� ��������� ����� �������� �� ���� � ������� ���� �������� ��� ����������� ��� �� ��������� � ������ �� ���� ������� ���� �������� ���������� ���� �������� ������ 2��� �� ��������� ������ �� ���� �� �� �� ��� �������� �� �������� �� �� ������ � �������� �� �� ���� �� ��� ����������� � ������ %�� ����� ����������� ��������� ��� �������9������� ������- � ��� ���� ����� �� �� ���� �� ������ ������� � �� �� ������� �� ����3���3����� �� ��� � ������� ����� �� ����� �� ��������� �� ���3������� �� ����� �� ������ 4� ������ ������ �� ��� ���� ������ ������ ����3������ ���������� �� ���������� �- ������� "����3����� ���� �������� �� � �� ��������������� ������� ������� ��� �� � ������ ��������� ���� �� � �� � ����� �������� ��� � ������ �� � ���� � �������������� ��� ���� �������������� ��� ������ �� ��� �� ��� �� ��� �� ���� ����������������� ���� ��� ���� ����� ��������

:���� �� !#;��� ,*<=). ������� ��� ����� ���� �����������7����� �� ��� ��������� � ����� �� ���� �� ��� � �� 3����� ���� ��� ��������� ���� >����� ,*<++. � �����&� ������� �� ���� �������� ��������������� �� ��������� ���� ��� ����?����� ��&&�� ����� �� ���;� �������@ ������ �� � ��&&��������� ���� ��&&��� ������ �� �� � ��&&�� �� ������ �� ������&&��� ���������� ,*<++. ����������� ��� �?��� �� � �� 3����� ��������� �� ��������� ���� ��� ���� �� ��� ���������� ��3

���� ���� �������� ��� � ����� ��&&��3��3����� ��������:������� �� %�������� ,*<AA. �������� � �� � �� ��������� �������� ��������������� �� �� ����- � ��������� ��� �����������������3��- � �������� B����#� �� ��� ,*<A=. ��������� ��� ���� �������� �� ��� ����������� � ����� ��� �������������� ���� �����3����� ������� �� �� ������ �������� ��� �� 1����# ,*<<(. ����������� �������������� ������������ ������� � �������� ����� �� ����� �� �� ������������� ��� ��� ��� �� �������� ��� ��� �� �� ��� ����� �� �������$ ����� � ������ ������ ����� ��� ����� ��� �� �� C������� ���� �� ��� �������� D��� ������ �� ��� ,*<</. �� 5��#3���� ,*<<0. ������� ����������� � ���� � �� ��� �� ��� ��3��������� ���� ��������� ����� �� 2��� ,*<<(. �������������� ���� �������� ��������������� �� � ���� ��� ��� ��������� ������ ����� ��&&��3��3����� ��������� "�� ���� ��� � ��� � ��3������� ��� �� ��� ����������� �� ���� �������� ����� �� ��3�������� �� ��������� �� ��� ����������� � ����� �� ���������� �� ��� ��� ������� �� ��� ���� ������ � � �� ����������� ���� �������� ����� �� ��������� ����� E���� �� � �����,*<A'���. �� � ���� ����� ������ � �������� ��� �� ����� ���� �� ����� ��������� �� ��� �� �� ������ ���� ���� �� ��� ���3������ ��� �� ��� ���� ����������� �� �� � ������ ,*<<=. ������� �� ��� ,/'''. ����������� ��� ��������������� �� ��� ���3����� ������ ���� ��� ��������� ���� �� ����� � ���� ��� ������������ ����� ��� �� �������� �� ������� �� ��� ������ �������� ���- ����� %�� ��� ������ �� ��&&�� ���� �������� �������� � ��� �� 1�3:��# ,*<A'. ������� ���� ������ ������������ �?���� �� ��� ����������� � ����� ���� � ���3������������ ���������� �� �� � ���� ��� ���� �������� ����������������� ��������� ��� ��� �?���� �� ��� ��&&�� ���� �������� ��

4������������ D� ���� �� ���� �� %� � %��� // ,/''*. /<0F0''����������������9������9���?

������������ � �����

������ �������% �����G����������#� ,���� ���.�

'*(/3+/+H9'*9I 3 ��� ����� ������ � /''* 1������� ������� 4��� !�� ������ ��������

844@ � ' * ( / 3 + / + H , ' * . ' ' ' < * 3 *

Page 2: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

������ ��� �� ��� ,*<<A. �� ��� �� ��� ,*<<A. ����������� ������� �������� ��������������� �� ��� ������� �� ������ ����������� ��� �������� ��� ��� �?����� ��&&�� ������ � �� �� ����� ��� ����� �� ��&&�� �� � ���� ��� ���� ��&&���

"��� �� � ��� ��� �� ��� ������� �� ��� �� �� ������������ ��������������� �� ������������ ��������� ��� ���3������ �� ������ �������� %�� ���� � ������ ��� �?����� #����� ����������� ������ ��� ������@ ��� �� ��� �������� ������� ������� �� ��� ����� �� ��� ��� ���� ����������� "�� ���3��� �� ������� ���� ��� �������� �� ,��3����� ���� ����3�����. ��� � ��� ���� ���� �� ��� ������ �� ���3������ �� ������� ��� ��� ���� ��� ��� ���� ����� �� ��� ������������� 2��� ��� ������� �� ��������� �� ��� �� ��� ����������� ���� ��� ������� �� ���� �������� ��������������� ����� ����������� ����� ��� ���� �?���� �� ��� ������ �� ����� �� ���� %��� ��� ���&����� �� ������� �� ������� ���������� �� ������� ������� �� ��������� �� ���� �������� ��� �� ����� ��������� ������ ����� ��� ���� �� �� � ���3��������������� !���������� %%" ,%��� %� ���� "��������. �� �� �� ������ ��� ��������������� �� ������ ���������� ��������� ���- ����� "�� ����� $ ����� � ����� �� ��� ��3��������� � ����� ��� ���� �� ��� ��� ��&&��3��3����� ������������ �� /F*=� %�� ��� ����� �� �������� ��� ���� �� ���3����� �� �������� ����� ��� �� ������ ���� '�() �� *�+) ����� ��� ��� ���� ����������� ��� ������� ���� ��� � ���� ,��3�������� ���- ����� ���. �� *�/� /�(� 0�' �� (�'� $�&&�� ����C������ � ���� �� ��� ���� ��� �� ;�� �� 0(�''' ��� ��� �������� ������ ������ �� ��� ���&������

� ������������ ���������

%��� * ����� ��� ������������ ������� � �� ��� ����� ��������� �� ��� ���� ���������� �������� "�� ���� �� ��� ����� ���� � ������ ,0�+ #2. �� ������ ���� �� � ������������� ����� ��������� � ������ ��� �������� �� �������'�/�� �� ��� ������� �������� ��� "�� �� ����� ��� ���3� �� ���� � ���� ����� ���;�� ������� ������ �'�*J ��� 3����� "�� ���� �� ��� �������� �� �� �� �� ��� �� �� �������� ��� �� � ����� ����� ��� �������� �� ��� ������� !�������� ����� �� ��&&�� �� ������ �� ������ � �������������� ���;�� ,��� ���. ���� � ����� ����������� ������ �� )'@*,>����� *<++.� "�� ��&&�� ���� ������� ,�. �� /(�= ��� %����� ����� �� ������� ������ ,%��� *,�..� � �������� ����&&�� ��� � ���� ����� �� ��� ���� ��&&�� �� ��� ���� ����� �������� �� ������� �� <�( �� ,'�0A�.� %�� ��� ��� �������������� ������ ,%��� *,�..� ��� ���� ����� ��� ������ �� ����������� ������� ,����1��<=. �� �� � ��� ,�K0/. ����� 8�� "�� �� � ������ �� �����;� �� �� �����;�� ��� ����� �� ��� ������ ����#�� ,/'' 2.� �� � ����� �����3��� �� ��� ������ ��� � ����� �� � ����� ����� ��������������� �������� �� ��� ��&&�� ����� "�� ��� ���� ����� ��������� ��� ����;� �� ��� ���������� �� ������������� ����� �� � ����� �� ����� �� ��� ���������� ���- ���� �� ;�� ��<) K�

! ���#�3���� �� ��� ���&����� ������- � �� ������ �� ������� ��� ������� �� ������ ��� �� ��� �� ��� ���� ��� ���� � ;�� �������� ���� ,'�* �� �� �������.� "�� ��������

��������

& ����������� � ����� ���� ,�/.� ��&&�� ���� ������� ,� /(�= ��. ��� ���� ���������� ���- ���� ,�&.' ��&&��3��3����� ������� ���������� ���� �������� ���7����� ,2��/ B.( �������� � ����� ,!.) ������� ��� ������� �� ��� ��� ,29� B.*� ����� $ ����� � ���� , �+).��' $ ����� � ���� �� ��� ���������� �������'�/� $ ����� � ���� �� ������������ ��� ��

��� ���������� ����� �� ��� � /�� � ����� ���� � ,29�/�, �������� ����� ���/ ��

�� ���3����� ;�� ���������� ���� ����� �������� ����������� C������ � ���� �*������� ���� ��� � ���� ����*���� ��� �������� ���� �������� ��� '� ����� �������� �� �� ��� ��

�� ���� �������� ��* ������� ��&&�� ���� �������� �� ���� ��/ ������� ��&&�� ���� �������� �� �������� ��� ������� �������� ������� ���� �� �������� ���� �������� �������� ������� ���� �� �������� ���� �������� �� ����� �� ����� �������� ��

������

��/�

�- ���������� ���������� ������ ���������

%��� *� 1����������� ������� � ��� ��� ����� �� ������� �� ��� ���� ���������� �������@ ,�. ����� �� ������� ������6 ,�. ��� ���� ����������

�������

/<( �.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3�

Page 3: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

���� �� ������ ����&������� �� ��� ��&&�� ����� K����� ���� �������� ���� �� ������ ���� ���� ��� �� �������� ����� � ������ ����� ��� �� ���� ��� ����� ����� ������� �� ��� ������ �������� �� ��� ���� ��������� �� �������� �������������� ��� ����� ���#� ;������ ����� ,�����# �����.� "�� )'' 2������� ����� ��� �� �� ��� �� � ������ ����� ��� ��#��� ������������� � ���� �� ���� �� � ������ �����

5������� �� � �� ����� ��������� ��� ���� �� �� � ���3���� ���������� ,"�434%!0''. ����� �� � �������� �������3� �� ���� ���� 43����� ������� ! �����3���� �������� ����������� ��� 8� �� �� �� ���� ��� ���3���� ����� �� ��� ����� ������� ���������� "�� ���� �� ��� ��� ����� �� ��� 8����� �� :84K ����� %%" �� �� �� ������ ���- ���� ����3����������� �� ��� ��� ��� "�� �������� ���� �� (''' �& �� ���� ���� �� ������ ��� �� ('<= ������� �� � �8% ,��� ����;����. �� /''' �& �� �� ��� ��� ����� ����� ����

����� � ����� �������� �� �� ���� �������� ���7������ ����� ����������� � ����� ��� ���� �� �� ��� �������� ����,"3����. ��� � �������� ���� � ��������� "�� ���� ��������� �� � ���3����� ;�� ,! ��3*/. ���� �� � ���� ����3���� ����� �� ) �� �� ����#���� ���� � � ���3��� ������������ "�� �������� ����� �� ��� ���� ���� � )' �� ����������� � )' �� ����# ;��������� 4� ���� �� ������ � ������������ � ��������� ��� ����� ������ � � ����� ����� �� ������ �� ��� ���3����� ;��� ��� �������� �� ��� ����� � �������� �� � ������� ���� ,�� ��. �� ���� �� ��� � ������ "�����3;�� �������� ���� ,0=3�� �� ������3���������� ����. �������� �� ��� �������� ����� ������� ��� ���3����� ;������ � ������� �� '�/� �� ��� ����� ��������� "������ �����,������ ����. �� �� �� � ;����� ������ �� �� ���������� ��3� ����� ��� ��� ���3����� ;��� "�� �������� �� ���� ���������� �������� �� � ��������� ������ ,B������� ���� +''*.� �� �������� ,B������� ���� /''*. �� � �������� ���� ����

"�� ���������� ���� �������� ���7����� �� �;�� ��

� ���� � ���

� �*�

����� �� �� ��� ���� � ���� ��� � ������ �� �� ��� ������������ ��� �� ��� �� ��� ��� �������� ���� �������� �������� ��� �� �������� �� ��� ��� �� ����� ��� �������� ������������ �� ����� �� ������ �- ���� �� ��� ��� ����� �������� ���� '

� �� ���� �� �� ��� ���� � ,��� � '�( �9�. ��������� ()'�� ������� �� ��� ��� ��&&�� ���� ,����� * � /' �9�� �3����� �������� �� �'�/��. � "��������� ��� ����� ���� �����������7����� ��� �� ������� ��

� ���� � � '

�/�

�� �� �� ������� ��

�� � �/���� �0�

����� ( �� ��� �������� � ����� �� ��� ���3����� ;��� �� �� ���������� ����������� �� & �� ��� ���� �� ��� ����������� � �3����� "�� ��� �������� �� �� ��������� ������ �'�/�� �� ���������� �������� ��� �� ���� ��� ����������� �?���� �� ���������� ��� , � �� ��� �������� �� �?������. ��� �������� ����� ������� �� �� "�� ���� ��� ����� ���� ���� �� ��� ��3� ������ �������� �� ���������� ���� �� �� ��� ���3���������� ������� �� ����� ����#���� �� ��� ��� ������ ��������� "���������� ���� ���� �� ���� �������� ����� ��� ������� ������3���� �� ��� ��� ���� ��� � ����� �������� �� ��� �����)'��� "�� �������� � ����� �� ��������� �� � �������� ������ ���� �� ���� �� ��������� ���� � �� �� ������ �*�'J��� �����

1����������� ��� ��� ��� ���� �������� ��� �������� �� ������� ��� $ ����� � ����

�� � ��

� ���� � � '

��� �(�

����� ) �� ��� ��� ������� �� ��� ��� ���� L���� � ����������� ����� �� B���� �� >��������# ,*<)0.� ��� ���������� ����� <)J ���;���� ����� �� ��� � 0J �� ��� $ ����� � �����

� ������� �� ���������

�.�. � ��� 4$ �����

�.�.�. 0�$ � ������������� $�� � � �������� 4$�"�� �������� ������ ,� �� �;�� ��

� � �/ �

� * � /

* /

�)�

�� �� �� �� �� ������� ��� �� � �� ���������� * �� / ������ ��&&�� ���� �������� �� ���� �� �������� ��� ������3������� "�� �������� �?������� � � �������� �� ��������� �� �������� ������ ��� ������ ����� �� ��� ������� ��������� � � �� ���������� ���� �� ��� ������ ������ �����- ������ � � *�'����� ��3����� �� � � *�' ����� �� ����3������ 4� ������� �� �������� �� ��� � ��� ���� ���� , �� �- �� �� *�'�

"�� �� �������� ���� �������� ��� ��� ����� �� %��� /�%�� ��� ���� ��� ����� � �������� �� �� � *�'�� � ���� ������������� ��� � ��� ��� �� ��� ���� � �� ��� ����������� �� ��������� ������ ����� ���������� !� ��� ������ ����� ���3������� �� ������� � ������� �� ������� �� �����������2��� ��� ������ �������� �� ��� ������ ����� ����� �� ��&�� ���?���� ��� ���� �� ��� ��� �� �� ;����� ��� ��������� �������������� %�� ��� ��3������� �� �� � � '�()� ����� ��� �������� ������ ������� ��� ���� ��� �� ��� ������� ��� ���� ����� �������� �� �� ������ ��� � ��� ���� ���� M�� �� �������� ����� ������� ��� �������� �� �� ��� ������� ��� ����� ����� �� ������� ��� ���� �� �� ��� �������� ��� "��

(a) (b) (c)

%��� /� %��� ��� ���&����� ��� ��� �� ���� ��� ���� ��� �������� ��� ��� � 0(''�@ ,�. � � *�'6 ,�. � � '�()6 ,�. � � *�()�

�.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3� /<)

Page 4: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

���������� �� ��� ���� ��� �� �� ����� �� ��� ��������������� ��� "�� ������ �� ���� ��� ��3�������� � ��� ��������������� ������ �������� �� ��� ����� �������� �� ��� ������������� ������� ���� !� � ��� ��� ��� ��� ��������� ���� ������ ������������� %�� ��� � ����� ���� �� � � *�()� ����� ��� ������� ����� ������� � � ��� ��������������� �� ��� �������� ����?����� ���� ����� �� � � *�' �� '�()� 2��� ��� � ����� ���

���������� �� ��� ���� ��� �� ������� ���� �� �� ��� ����3������ ���� ����� ������� ��� ���� �� �������� ����

%��� 0 ����� ��� ��������� �� �������� �� � �� ����� ��3������� ������ ����� ���� �� ����� ��� ���������� �� ��� ������� ���� ��� �������� ���� 4� ��� ���� �� ������������ ����� � *�'�� ��� �� ��������� ������ ��&&�� ���� ��������,��������� ����. ��� � ������� �� ( )�� !� ��� �� �� �3

%��� 0� 1?��� �� , �� �������� �� � �� ����� ��������� ������ ����� ����� ��� ���������� �� ��� ���� ��� ��� � 0(� '''�@ ,�. ��������6 ,�. � �� ���������������

%��� (� 1?���� �� ��� �� , �� ����� ������ ���� �� �� ��� � 0(� '''�@ ,�. ��3�����6 ,�. �� ����3������

/<= �.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3�

Page 5: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

�������� �� ��� �������� ��� �������� ��� �������� �� ��� ����������� �������������� "�� � �� ����� ��������� �� ��� �� �����&&�� ���� �� ��������� ������� ���� ��� � A� 2��� ��� ����� �� � ��� �������� ��� � �� ����� ��������� ��������������� 4� ��� ���� �� ��3����� �� � *�'�� ��� ��������� ���������� �� ������ ���� ���� �� ��� ������������ ��� �� ��� � �3� ����� ��������� �� ���� ���� !� ����� �� ��� �� ��� ���&�3���� ��� ���� ��� �������� ������� �������� ������ �������� ���� ����������� �� ��� ������� ���� ������ ��� ������������ ��� ��� �� �� ����� �� ��� �������� ������� ����������� ��� � ����� �� �� � *�'� �� ��� ��� ��������� ���������� �� ��������� ��� � �� ����� ��������� �� ��� ������ ����� ���� "�� ������ �� ���� ��� � ����� �� �������� ��� ������������ �� ����� �� ��� �� ��� ���&����� ��� ����

�.�.�. '��� ������� � ������������� $�� � � �������� 4$�%��� ( ����� ��� �?���� �� ��� �� , �� ��� ����� �����3

� ���� �� ��� "�� ������������ ��������� ��� ����� ���� ��3����� ���� �������� ��������������� �� ��� ����������� � ������%�� � ����� ��&&��3��3����� ������� ���� � (�� ����� ����� �������� ���#�� "�� ;��� ���# �� ��� � '�) �� �� �� �� ��� �?��� ������������ �� ������������� "�� �� ������������ �� ��� ����� ���� ����� ����#���� ��� ����� �� ��� ���� �������� ���������"�� �������� ���# ������� �� ��� � /�*� :��������� �� ���������� ���� ��� �������� ���# �� �� �� �� �� �� ��� ������������ ���� ������� �� � �� ����� �� �� ��� ���������������� �������� �� ��� � /� "�� �������� ���� ��� ���� ��3� �� ��� �� ���� ����� �� �� ������� ��� ������ �� ��3����� ��� �������� ��� ���# ��� � �� ��� !� ��� ��� ���������������� ���� � */� �� ��� ����������� ����� �� ������� ���� �� ��� ��� ��������� ����� ����� �� ���� ��� ���# �� ������������� ������ "��� �� ���� �� ��� ��� �� �� � ��� ��������� ��� � �� ����� ��������� �� ��� ���������� ������ �� � 73������� ����� �� ����� �� ��� �� ��������������� �� ���� ���� %����� ������� ����� %��� (,�. ����� �������� �?����� ������3��������� �� �� ������ ����� ���� ��� �� ��� ���� �� �������� %������� ��� ������� ���� � (�� ����� ���� ����� ��� ���#�� � ���� �� �� ��� ���������� ����� �� ��� � �� ��� ����� � �� �������������� �� ��� ��� ���� �� ���� ��� �������� ������� ���"�� �������� �� ��� �������� ���# �� ������ ���������� "����� �������� �� �� �� �� �� ��� ���� �� ���������� �� � �� 3����� � �� ��� ��� � �� ����� ���������� ���� ���� ������������� ���� ��� �������� ������� ��� ������� �� ��� ���������������� ���� � */� ���� �� ��� ��� ���� �������� �� �������������� �� ��� �� ��� � ������ ��� ��������� ���� ������� ����������� �� ��� ������� �������� ��������� ,�� ��� �������� �����, ��������.� %�� ��� � ����� �� ,%��� (,�..� ��� ���� �����������7������ ��� ����������� �� ��� � ����� ��� �� ��� � (� "����� ���� �� ��� ����������� ����� �� ������ ��� ��������� ����������� ����������� �� � ����� ��&&��3��3����� ������� ����� � */� �� �� �������� ����� ���� ���� �� ��� ������������ ��� � �� ��� ����� �������� �� ��� ��� ���� �������

�� �� ��� ���������� ����� ��� ����� � ��� ��� ����� ��%��� )� !� �������� ������ ��� ��� �������� ������� �����,%��� ),�..� ��� $ ����� � ���� ��� ��� ����� ������� �� ������������� ���� ���� �� ��� ������������ ���� !� ��� ������� �������������� ���� �� ������� �� ������ ���� �������� ����� ��� ��������%�� ��� � ����� ������ ��� $ ����� � ����� ��� ������ �?����� ����� ����� ��&&��3��3����� �������� ����� (� � � ���� ��������� �?������ �� ���������� ��&&��3��3����� ���������

�.�. &������ �-�������

�.�.�. 005"�� ���� ��� � ���� ��� �������� ��� ���- ���� ������3

��������� �� ��� �� �� �� �;�� ��

��� � ��*

� �=�

����� �� ��� ������� ���- ���� �� ��� ��� ���� ���������� ������������ ������ ���- ����� ��� � ' ����� ��� ��������������� ����� � ��� ���� �����������

%%" ���� � ���3���� ���������� �� �� �� �����&� ������- ���� ��������������� �� ������ ��������� �� ��������%��� = ����� ��� %%" ��� ��� �� ���� ��� ���� ��� ��� ���� ��3��������� 4� ��� ���� �� ������������ ��� ���� � '�� ����� ��� ��������� ������ ���- ������ �� ��� � *�' �� ����� �� %��� =,�.�M�� �� ��� ���- ���� �� ��� � *''' �& ���� � *�/� ����� �������� �� ��� � �������� ���- ���� �� ������ ����������� "������� �� ��� � )'' �& ���� � '�=� � �� ������ �������� "��� �������� ���- ���� ,*�''' �&. �� � ��� ���� ���- ���� �������� ���������� ��� �� �� ��� ������� ����������� �� ��� ���2��� ��� �������� ��� �������� ���������� ��� �������� ������������ ,������ �������. ��� ����� �� ��� ���� ���- ���� ����3���������� ,)'' �&. �� � �������� ���- ����� !� ��� �� ���������� ���������� ��� ������ � �� ��� ����� �������������� ��������� �� ���� ��� ������� ���- ���� �� ����� � �� ��� ������� �� ��������� !� ��� � =� ��� ������� ���3- ���� ��������� �� ������ ���- ���� ������ ����� �������� ��� ��� ��� ���- ���� ������

2��� ��� �� �� ������ ���� ��� ���- ���� �� ��� � /�(,� � *<)' �&.� ����� ��� ��� ����� ���# ���- ������ ����� � *�'� "�� �������� ,� �������� ���- ����� ��� � *�/.��� ��������� �� ��� ����������� �� ���� ��� ������� ���3- ������ ��� ��������� ��� ���������� "�� ������ �� ������� ���������� ���- ���� � �������� ��� ������ �������� 2������ �� �� ������ ���� � ���- ���� �� ��� � 0�' ,� � /((' �&.���� ������� ���- ���� �� ��� �������� ��� �� �� ��� � */'' �&���� � *�)� �� �� �� � ������ ������ ���� ���� �� ��� ���3���������� %�� ��� ���������� ���- ���� �� ��� � (�' ,� � 0/)' �&.�%��� =,. ����� ������� ����� �� ��� ������������ ���� "����� ��� ���� ���� ��� ���- ���� ��������������� �� ��� �� ����?���� �������� �� ��� ��� ���� ����������� �������� ��������� ���- ������ �� ��� ��� ��� ��� ��� ������� ������ �� ���

%��� )� 1?��� �� , �� ��������� �� �� �� ��� ���������� ����� ���� ����� � ��� ��� � 0(� '''�@ ,�. �������6 ,�. � ������

�.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3� /<+

Page 6: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

���������� ���- ���� ������� "�� � ��������� ���- ���� �� ������������� ���- ���� ��� �� ��������� ���� �� ��� ������� �������� ���������� �� ��������

�.�.�. 0�$ � ������������� $�� ������� �-�������%��� + ����� ��� �� ��� ���&����� ��� ��� �� ���� ��� ����

��� ��� ���� ������������ %�� ��� ���� �� ��� � *�/� ��� ���������������� �� ��� ��&&�� ���� �� ��� ������� ����������� �� ��� ��

��� ��� ������� ����� �� ����#� ��� - ��#�� � �� ������������ �� ������ �������� 2��� ��� ���������� ���- ��������� �� /�(� ��� �������� ��� � ��� ��� ��������� � ��� �������� �������� ����� ����� �� ��&� ���������� "�� �� ��3���� �� ��� ���- ���� �� ��� � 0�' �������� � ������� ��������� ��� ���� �� ��� � /�(� "�� �������� ����� �� ��� ��&&�� ������ ��� ����������� ��� ����������� �� ��� ������ ������� ������������ �� � ������� ���� ��� ��� ���� ���������� �� ���

(a) (b) (c) (d)

%��� +� %��� ��� ���&����� ��� ��� �� ���� ��� ���� ��� ���� ���������� ��� � 0(''�@ ,�. ��� � *�/6 ,�. ��� � /�(6 ,�. ��� � 0�'6 ,. ��� � (�'�

%��� A� 1?��� �� ��� �� �������� �� � �� ����� ��������� ����� ��� ���������� �� ���� ��� ��� � 0(� '''�@ ,�. ��������6 ,�. � �� ����� ����������

%��� =� 8���� �������� ������ �� ���� ��� ���� ��� ���� ���������� ��� � 0(� '''�@ ,�. ��� � '6 ,�. ��� � /�(6 ,�. ��� � 0�'6 ,. ��� � (�'�

/<A �.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3�

Page 7: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

���- ���� �� ��� � /�( �� 0�'� ������ ��� �������� ������� ������������� ����������� ����� ��&�� %�� ��� ���� �� ��� � (�'���� �������� ���� ������ �� ��&� �� ������ �� ��� ����������� ������ �������� "�� �� ��� ���&����� ��� ��� ��� �������������������� ���� ��� %%" ��� ����

%��� A �������� ��� �������� �� � �� ����� ��������� �����3� ����� ����� ��� ���������� �� ��� ���� ��� ���� ��� ��� ���������������� "�� ��������������� �� ��� ���3������ ��� ��� ��3������ �� ��� �� ��������������� �� ��� ������������ ���� 2������ ���� ����������� ��� ������� ����� �� ��� �������� �����3� ����� ��� ������� �� ��� ���3������ ���� � � ��� ��� ������������� ������� ������ �����;������� 2��� ��� ������ ������� ������������ �� ��� ��� ��� � ������� �� ��� ��� ���� ������3���� ���- ���� �� ��� � /�( �� 0�'� ��� ��������� ���� ������ ��

������ ���� ���� �� ��� ���3������ ��� �� ��� � �� ����� ��3������� ��������� ������� ��� ����� �� ����� ��� �� ������ ������������ ���� ������� 4� ��� ���� �� ��� � *�/� ��� ��� �� ��� ������ �������� �� � ������ � �� ����� ��������� � �� ������������ �� ������ ������� �� ��� �� ����������� 2������ ��� ��� ��� � ��� �������� ��� ���� *'� � �� ����� ��3��������� ��� ������� ��� ��� ����� ������

�.�.�. '��� ������� � ������������� $�� ������� �-�������%��� < �������� �� ��� ����� � ��&&��3��3����� �������� ��

��� ���� ������������ 2��� ��� �� ( �� ��� ���������� ���3- ����� ���� �� /�( �� 0�'� ���� �������� ����� �� ��� ��������������� ��� ����� ���� ����� �� ��� ���3������ ���� "�� ���������� ��� �������� ���# �� ��� $ ����� � ���� ����� � ������ ��� ����� ��������� ��#� ��� ������� ����� � �� ��� ������ ��� �� ���������� �� ��� � �� ����� ���������� %�� ������� �� ��� � *�/� �� ��� ������ �?����� ���� ��� ���3���������� !� ��� ����� ��� ������� ,��� � */.� ��� ���� ������������ ����� ��� ������� ���� ��� ������ ���- ���� ����� � /�( �� 0�'� �������� �� �� ��� ���������� ����� ������ � *�/ �� �������� ����� ���� ���� �� ��� ���3������ ����

%��� *' ����� �� �� ��� ���������� ����� ���� �?�������� ���� ������������ %�� ����� ��������� ��� �� ���� ��� � /�(�� 0�' �� ����� ���� ���� �� ��� ���3������ ��� � �� ��� ���� �� ����� ���������� !� ��� ��� ������� ���������� ���� ������������ ����� ��� ������� ���� ��� ���������� ���- ���� ����� � /�( �� 0�' �� � ��� �� �� ��� ������ ��������� ���� �������%�� ��� ���� �� ��� � *�/� ��� $ ����� � ���� ������ ����� ���������� �� ����� �� ��� ���3������ ��� �� ��� ����� ��� ��������� ��� � ������ ����� ���� ���� �� ��� ���3������ ��� �� �������� ��&&��3��3����� ������� �� ��� � *= ���� �� ��� ��� ����� ���������� ��� ��������� %�� ��� ���� �� ��� � (�'� ��� ������������ ���� �� ��� ���������� ����� �� ������� �� ��� ���� ����� � *�/ �� ��� ���3������ ����

%��� <� 1?���� �� ��� �� ��� �� ����� ������ ���� �� �� ��� � 0(� '''�@ ,�. ��� � (6 ,�. ��� � A6 ,�. ��� � */�

%��� *'� 1?��� �� ��� �� ��������� �� �� �� ���������� ����� ���� ������ � 0(� '''��

%��� **� ���������� �� �������� �� � �� ����� ��������� ���� �������� ��� �� ��� ���� ���������� ��� � 0(� '''�@ ,�. ��������6 ,�. � �� ���������������

�.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3� /<<

Page 8: Heat Transfer and Flow Structures in Axisymmetric Impinging Jet Controlled by Vortex Pairing

�.�. 6������� �������� 4$ ��� ������� �-�������

%��� ** ����� ��� ��������� �� ��� �������� �� � �� �������������� ������ ����� ���� ��� �������� ��� �� ������ ���� ����������� K� ��� ��������� �� ������ ������� ������� � ����� �� �� � � *�/) �� ��� ���� ���������� ����� � *�/� ���������� ��� �������� �� ���� � �� ����� ����������� �������� �������� ��� ��� ������� �� � � '�() �� ������������� ���- ���� �� ��� � /�( �� 0�'� ���� �������� ,��������������� ���� ������ ���� ���� �� ��� ������������ ���. �� ���� �� ����� ��������� ��� ������� � �� ��� � ��������� �������� ������� �� ��� �� �����������

%��� */ �������� ��� ���������� �� �� �� ��� ��������������� ���� ��� �������� ��� �� ��� ��� ���� ������������"���� ��� ��� ��������� ��� ������� �� ���� �������� ������3��������� �� ��������� ��� � �� ��� ������� �� ������ ��������2��� ��� �� ���������� �� ������� �� ��� � ����� �� ����� � *�/� ��� �� ��� �������� ������ � �� ����� ��������� ������� �������� ���� ���� �� ��� ������������ ���� "��������� ������� �������� ����� ��� ������� �� ��� ����� ��� �������� M���� ����� ���� ���� ���� �������� ����� ��� ������� �� �������� �������� � �� ��� ������ ��� ��������� ���� ������ ������� ������� �� �� ��� � /�( �� 0�'�

� ����������

%��� ��� �� ��� �� ���� ��� �?���� �������� �� ��� ��&&������ ��������� �� �������� �������� ��� � ��� ��� ���������������� ��� �� ��������������� �� ��������� ��� ��� ������������� �� ��� ������� �� ������ �������� %�� ��� ��� �� ������� ��� � ����� �� ��� ��� ���� ���������� �� ��� � *�/� ��� ����� ��� � ������� ��������� ���� ������ �� �������� ������� �� ����� ���������� 4� ��� ���� �� ������� �� ��� � /�( ��0�'� ��� ������ ������� �� � ������� �� ��� ���������� �� ����� �� ������ !� � ��� ��� ��� ��� ��� � ������ ��������� ���������� �� ����� � �� ����� ��������� ������ ��� ��� ���� ��3�����

���� �������� ��������������� �� ��� ����������� � �������� �?���� �� ��� ������ �� ��� �� ��� �� ���� !� ��� �3��������� �� ��� ��� �� ������� �� ��� � ����� �� �� ������ ���� ���������� �� ��� � *�/� ���� �������� ����� ��� ��3����� � ������ �� ����� ��� �������� ���� ���� � �� ��������������� �������� ��� ���� �������� ����� ��� �������� ����� ����� ����� ��� �������� � �� ��� ����� ��� ������ �������������������� ��� ���� �������� ����� ��� �� �� � ������ �� �������� �������� �� ��������� �� ��� �������� ���# �� ����

�������� ���7������ �� ����� � �� ��� ��� � �� ����� ��3������� �� ��� ��� ���� �� ��������� �� ��� �������� ��������� �� ��� � /�( �� 0�'� 1���������� �� ���� �������� �������� ������� �� ����� ��� �������� �� ��� � ��������� �������� ������� �� ���������� �� ��� ��� ��� ����� �� ��������������� ���� ������ ���� �������� ������� �� �� ��� � /�(�� 0�'�

�������� �������

"��� ���# ��� � ������ �� ��� $������� C������� ���3������� ������� �� B���� 4����� �� �� ������� �� "���������1��� ����� �� 8��������

����������

���� ����� ���� ����� B��� N���� *<<A� ��������������� �� ���� ��������

�� ��������� ���� �� ������� �� ������ �������� !�>1 ����� $�� <A3

:"3/+=�

:����� C�� !#;���� D���� *<=)� "�� ���� �� � �� ����� �� ����������

��� ���� �������� ��������������� �� ��������� ����� 4��� D� ���� ��

>��� "������� A� */=*F*/+/�

:�������� C�D�� %��������� >�1�� *<AA� ���� "������� ���� � ��

� ����� �� �� ����- � ��������� ���� D� ���� "������� **'� A(F<'�

����������� ��D�� *<++� "�� �?��� �� � �� ����� �� ���� �������� �� �

���������� ������ 4��� D� ���� �� >��� "������� /'� *000F*00A�

� ���� ��>�� 1����#� >���� *<<(� ����3�������� �� �� ��������� ��� ��

� �� � ������ 4��� D� ���� �� >��� "������� 0+� *<*)F*</0�

� ���� ��� 1�3:��#� >���� *<A'� ���� �������� �� �� ��� ���&�����

����������� �� ��������� � ���3������� �� ������������ ���������

����� 4��� D� ���� �� >��� "������� (*� )A0F=''�

������ ����� ���� ����� ���� ����� /'''� ���� �������� ���������3

������ �� ����������� � ����� ���� ������� �� ������������ ���,/. 3

���� ��� ���� ����������� "����� B�>1,K. /(� 0+0F0A*�

D��� ������� B�� ���� 1�� >���� >�!�� K ����� K���� *<</� ! ������

�� ���� �������� ��� ��� ������ ���� ��� ��� ������������ 4��� D�

���� �� %� � %��� *0� *'=F**)�

B����#�� B�� >������ ��� >�� �� B�� � � ��� >�� ���� ���� "�� *<A=�

O ���3������� �����3����� ��� �� �� ����������� ��� ��� ���������

����������� �� ��������� ��� ���� ��������� 8���� 1����� 4�"� 0�

**<0F**<A�

B����� ��D�� >��������#� %�!�� *<)0� ���������� ������������ �� ������

������ ������������ >���� 1��� +)� 0FA�

���� ����� B��� N���� ���� ����� *<<A� ���� �������� ���������������

�� ����������� � ����� ���� ������� �� ������������ D��,*. 3

������ �������� ������ ���� ���� "���� �� B�>1,K. //� 0A=F0<A�

�� � "�� � ������� D�8�� *<<=� ���� �������� �� �� ��� �� ��� �� ��

������ ���� ��� ��������� ���� 4��� D� ���� �� >��� "������� 0<�

0=<)F0+'=�

������ ��� 2���� K�2�� *<<(� !�� ��� ����������� ���� �������� �� ���

��&&��3����� ��������� 4��� D� ���� �� >��� "������� 0+� *=A+F

*=<+�

>������ ��� *<++� ���� �� ���� �������� ������� ��������� ��� ����

�� ���� � ������� !�� ���� "������� *0� *F='�

>����� "�� *<++� ������ �� ���3���������� ��� � ���� �������������

D� %� �� 1��� <<� 0+*F0+A�

5��#����� C�� *<<0� ���� �������� �� ��������� ���������� ��� ��

�������� 1���������� "����� �� %� � ���� =� ***F*0(�

E����� B�K�>�� � ������ !�B�>�%�� *<A'�� 5����� ������� �� �

���� ��� ��� ��� ��������� ����������� 8��� *� :������ ���

��������� D� %� � >���� *'*� ((<F(<*�

E����� B�K�>�� � ������ !�B�>�%�� *<A'�� 5����� ������� �� �

���� ��� ��� ��� ��������� ����������� 8��� /� �������� ��� �� ��

�������� D� %� � >���� *'*� (<0F)((�

%��� */� ���������� �� �� �� ��� ���������� ����� ���� ��������

��� �� ��� ���� ����������� ��� � 0(� '''��

0'' �.�. '$��� �� ��. + (��. /. '��� ��� 0���� 0�$ �� 1� �2 �"�3�