(1)

การศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชน แบบไหลในแนวรศม

Study of Flow and Heat Transfer Characteristics for Radial Impinging Jet

วชระ มสกะ Watchara Musika

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Engineering in Mechanical Engineering Prince of Songkla University

2558 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

(2)

ชอวทยานพนธ การศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลในแนว รศม

ผเขยน นายวชระ มสกะ

สาขา วศวกรรมเครองกล

อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก

.............................................................. (ผชวยศาสตราจารย ดร.ชยต นนทดสต)

อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม

.............................................................. (ดร.ภาสกร เวสสะโกศล)

คณะกรรมการสอบ

............................................ประธานกรรมการ

(ดร.ฐานนดรศกด เทพญา)

.............................................กรรมการ

(ผชวยศาสตราจารย ดร.ชยต นนทดสต)

.............................................กรรมการ

(ดร.ภาสกร เวสสะโกศล)

.............................................กรรมการ

(ดร.กตตนนท มลวรรณ)

.............................................กรรมการ

(รองศาสตราจารย ดร.จารวตร เจรญสข)

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมมหาบณฑต สาขาวศวกรรมเครองกล ............................................................. (รองศาสตราจารย ดร.ธระพล ศรชนะ) คณบดบณฑตวทยาลย

(3)

ขอรบรองวา ผลงานวจยนเปนผลมาจากการศกษาวจยของนกศกษาเอง และไดแสดงความขอบคณบคคลทมสวนชวยเหลอ

ลงชอ…………………………………………………………..…..

(ผชวยศาสตราจารย ดร.ชยต นนทดสต) อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก

ลงชอ…………………………………………………………..…..

(ดร.ภาสกร เวสสะโกศล) อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม

ลงชอ…………………………………………………………..…..

(วชระ มสกะ) นกศกษา

(3)

ขาพเจาขอรบรองวา ผลงานวจยนไมเคยเปนสวนหนงในการอนมตปรญญาในระดบใดมากอน และไมไดถกใชในการยนขออนมตปรญญาในขณะน ลงชอ…………………………………………………………..…..

(วชระ มสกะ) นกศกษา

(5)

ชอวทยานพนธ การศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชน แบบไหลในแนวรศม

ผเขยน นายวชระ มสกะ สาขาวชา วศวกรรมเครองกล ปการศกษา 2557

บทคดยอ

งานวจยนมจดประสงคเพอศกษาลกษณะการไหลและการถายความรอนของเจทพง

ชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม ในการทดลองก าหนดใหขนาดเสนผานศนยกลางภายในทอเจทมคา D=28.6 mm และตดตงเพลาทมขนาดเสนผานศนยกลาง d=12.7 mm ตามแนวศนยกลางทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบาน =30o, 60o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท นอกจากนไดศกษากรณเจทจากทอปกต (ทอทไมตดตงเพลา) เพอใชในการเปรยบเทยบผลการศกษา ส าหรบระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนไดปรบใหอยในชวง H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในการเปรยบเทยบผลการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทเทากนทกกรณโดยเทยบจากเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอปรกต Re=20,000 ในการวดการถายเทความรอนบนพนผวไดใชกลองถายภาพความรอนวดอณหภมบนพนผวทเจทพงชนและวดความดนทกระจายบนพนผวทเจทพงชนโดยใชเซนเซอรวดความดน ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลของเจทโดยใชวธค านวณพลศาสตรของไหล (ANSYS ver.13, Fluent) ศกษาลกษณะการไหลของเจทอากาศ และใชวธ Lacer Induced Fluorescence ศกษาลกษณะการไหลของเจทน า จากการศกษาพบวาทระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชน H=2Dh บรเวณทมอตราการถายเทความรอนสงของเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o มขนาดกวางกวากรณอนๆ และใหคาอตราการถายเทความรอนสงสด นอกจากนยงพบวากรณของเจททไหลในแนวรศมทมม =60o และระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชน H=4Dh เกดปรากฎการณอากาศทอยภายใตแทงทรงกรวยไหลออกจากบรเวณทเจทพงชน สงผลท าใหบรเวณดงกลาวมคานสเซลตนมเบอรต า

(5)

Thesis Title Study of Flow and Heat Transfer Characteristics for Radial Impinging Jet

Author Mr. Watchara Musika Major Program Mechanical Engineering Academic Year 2014

ABSTRACT

The aim of this research is to study flow and heat transfer characteristics of impinging jet from an annular pipe and a radial pipe. In the experiment, the inner diameter of nozzle pipe was D=28.6 mm, and a rod having diameter of d=12.7 mm was inserted into the center of nozzle pipe. For generating a radial jet, a solid cone with divergent angle of =30o, 60o and 90o was mounted at center of jet outlet. In addition, a conventional pipe (A pipe without inserting rod) was studied for comparing the results. A jet-to-plate distance was varied in the rage of H=2Dh, 4Dh, 6Dh and 8Dh where Dh is hydraulic diameter (Dh=D-d). For the comparison of results, the flow rate of jet for every cases was the same by respecting Reynolds number of conventional jet at Re=20,000. The heat transfer patterns on the impingement surface was measured by using used infrared camera to capture temperature distributions on the surface, and the pressure distributions on the impingement surface was measured by using pressure sensor. For the study of flow characteristics of the impinging jet, an air jet were investigated by using Computational Fluid Dynamics (ANSYS ver.13, Fluent), and a water jet was visualized by using Lacer Induced Fluorescence. The results showed that at the jet-to-plate distance of H=2Dh, the area of high heat transfer of radial jet with =90o was larger than the other cases, and its heat transfer rate was the highest. In addition, for the case of radial jet with =60o and the jet-to-plate distance of H=4Dh, it was found that the air which was under the solid cone leaked from impingement region. It cases to decrease heat transfer at that area.

กตตกรรมประกาศ ขอขอบพระคณ ผชวยศาสตราจารย ดร .ชยต นนทดสต อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ทคอยเสนอแนะแนวทาง และเสยสละเวลาในการด าเนนการท าวจยอยางใกลชด รวมถงการชวยตรวจสอบจดแกไขวทยานพนธจนถกตองสมบรณ ขอขอบคณ ดร.ภาสกร เวสสะโกศล อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม ดร.ฐานนดรศกด เทพญา ดร.กตตนนท มลวรรณ ดร.มกตาร แวหะย และ รองศาสตราจารย ดร.จารวตร เจรญสข ทใหค าแนะน า และขอเสนอแนะ ตรวจแกไขวทยานพนธ ใหถกตองสมบรณย งขน และขอขอบคณอาจารย บคลากรภายในภาควชาวศวกรรมเครองกล ตลอดจนทกทานทไมไดกลาวในทน ทมสวนชวยใหการท าวจยจนท าใหวทยานพนธฉบบนส าเรจสมบรณดวยด ขอขอบคณ บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร ทไดสนบสนนทนการท าวจย และคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทรทไดเออเฟอทนการศกษา และสถานทในการท าวจยในการท าวทยานพนธในครงน

วชระ มสกะ

สารบญ

หนา

บทคดยอ (5)

ABSTRACT (6)

กตตกรรมประกาศ (7)

สารบญ (8)

รายการภาพประกอบ (10)

ค าอธบายสญลกษณและค ายอ (11)

1. บทน า 1

1.1 ความส าคญและทมาของปญหา 1

2. วตถประสงคและขอบเขตของงานวจย 2

2.1 วตถประสงคของงานวจย 2

2.2 ขอบเขตของงานวจย 2

3. ขนตอนการวจย 3

3.1 โมเดลทใชในการศกษา 3

3.2 รายละเอยดชดทดลอง 4

3.3 การศกษาการถายเทความรอนบนพนผว 4

3.4 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน 6

3.5 การจ าลองการไหลดวยวธค านวณทางพลศาตรของไหล 7

3.6 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน 8

4. ผลการทดลองและอภปรายผล 10

สารบญ(ตอ)

4.1 การถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน 10

4.2 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน 14

4.3 การศกษาลกษณะการไหลของเจททพงชนพนผวโดยวธการจ าลองทางพลศาสตร 17

ของไหล

4.4 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน 20

5. สรปผลการทดลอง 22

5.1 สรปผลการวจย 22

5.2 ขอเสนอแนะ 23

บรรณณานกรม 24

ภาคผนวก ก. บทความส าหรบเผยแพร 1 26

ภาคผนวก ข. บทความส าหรบเผยแพร 2 30

ภาคผนวก ค. บทความส าหรบเผยแพร 3 37

ภาคผนวก ง. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis) 42

ประวตผเขยน 46

รายการภาพประกอบ หนา รปท 1 รปแบบโมเดลทใชในการศกษา ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 2 ไดอะแกรมของชดทดลองทใชในการศกษา ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 3 รายละเอยดผนงส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผว ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 4 อปกรณทใชในการวดการกระจายของความดนทตดตงบนผนงทเจทพงชน ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 5 โมเดลทใชในการจ าลองการไหล ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 6 การก าหนดเงอนไขขอบเขตของการไหล ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 7 แสดงชดทดลองทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 8 อปกรณทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 9 แสดงการเปรยบเทยบการกระจายนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนตามแนวศนยกลางทอเจทกบงานวจยอนๆ (ทเงอนไข H/d=6, เจทอากาศ, Re=23,000) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 10 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000,Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 11 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกรณเจททไหลในแนวรศมทมม

θ=60o และระยะ H=4Dh โดยเปลยนแปลงตามเวลา ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 12 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 13 นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC)ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 14 การกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (ผลจากการทดลอง, Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 15 การกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (ผลจากการจ าลองลกษณะการไหล, Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 16 การกระจายของความดนบนผนงพงชนจากการทดลองเทยบกบผลจากการจ าลองลกษณะการไหล(กรณของเจททไหลในแนวรศมθ=60 ทระยะ H=4Dh) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 17 แสดงลกษณะการไหลของเจทพงชนจากผลการล าลองลกษณะการไหล (Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 18 แสดงพลงงานเชงจลนแบบปนปวน (Turbulence kinetic energy) (Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 19 การถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนจากผลการทดลอง และลกษณะการไหลของเจทจากการจ าลองลกษณะการไหล (Re=20,000, Tj=27oC) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 20 ลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน (Re=4,000) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

รปท 21 ลกษณะการไหลของเจทน าบนผนงทเจทพงชนดวยวธเชงทศน (Re= 4,000) ผดพลาด! ไมไดก าหนดทคนหนา

ค าอธบายสญลกษณและค ายอ

หนวย สญลกษณค ายอ A คอ พนทของพนผวแลกเปลยนความรอน m2 d คอ ขนาดเสนผานศนยกลางของเพลาสแตนเลส m hD คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลกของทอเจท m D คอ ขนาดเสนผานศนยกลางภายในของทอเจท m H คอ ระยะจากปากทางออกทอเจทถงพนผวพงชน m ch คอ สมประสทธการพาความรอนแบบธรรมชาต W/m2

•oC

h คอ สมประสทธการพาความรอนเฉลยบนพนผวทเจทพงชน W/m2•oC

I คอ กระแสไฟฟาแบบกระแสตรงทจายใหกบแผนสเตนเลส A k คอ สมประสทธการน าความรอนของอากาศ W/m•

oC TKE คอ พลงงานจลนปนปวน (Turbulent Kinetic Energy) J/kg Nu คอ นสเซลทนมเบอร (Nusselt number) - LNu คอ นสเซลทนมเบอรทสญเสยจากการพาความรอนแบบธรรมชาต -

Nu คอ นสเซลทนมเบอรเฉลยบนพนผวถายเทความรอน - P คอ ความดนสถต (Static pressure) Pa Pr คอ แพลนดนมเบอร (Prandtl number) - lossedq คอ อตราการสญเสยความรอนจากการพาความรอนและการแผรงส W/m2 convectionq คอ อตราการสญเสยความรอนจากการพาความรอนแบบธรรมชาต W/m2 radiationq คอ อตราการสญเสยความรอนจากการแผรงสความรอน W/m2 r

คอ ระยะตามแนวรศมของทอเจท (Radius) m Re

คอ เรยโนลดนมเบอร (Reynolds number) - jT คอ อณหภมทปากทางออกเจท ๐C

sT คอ อณหภมภายในหองทดลอง ๐C

wT คอ อณหภมของแผนสเตนเลสทมการจายฟลกซความรอน ๐C

awT คอ อณหภมของแผนสเตนเลสเมอเจทพงชนในขณะทไมมการจายฟลกซความรอน

๐C

wT คอ อณหภมเฉลยบนพนผวทมการจายฟลกซความรอน ๐C

V คอ แรงดนไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส Volt

V คอ ความเรวเฉลย ณ ต าแหนงใดๆ m/s rmsV คอ ความเรวของรากก าลงสองเฉลย m/s stW คอ ความกวางของแผนสเตนเลส m Z,Y,X

คอ พกดของแกนอางองในการทดลอง (Coordinates) m

ค าอธบายสญลกษณและค ายอ (ตอ)

หนวย สญลกษณตวยอ ε คอ คาการแผรงสความรอน (Emissivity) - คอ คาความหนดคเนเมตก (Kinematic viscosity) m2/s คอ ความหนาแนนของอากาศ (Density) kg/m3

คอ คาคงทของสตเฟนและโบลซแมน (Stefan and boltzmann) W/m2•K4

สญลกษณตวหอย max คอ สงสดหรอมากสด (Maximum) - lossed คอ การสญเสยบนแผนสเตนเลส (Heat loss) - rms คอ คารากก าลงสองเฉลย (Root mean squared) - p คอ ความดน (Pressure) - s คอ ภาวะอากาศโดยรอบ (Surrounding) - st คอ แผนสเตนเลส (Stainless foil) - w คอ ผนงมการจายฟลกซความรอน (Wall heat flux) - aw คอ ผนงไมมการจายฟลกซความรอน (Wall no heat flux) - สญลกษณตวยก

คอ คาเฉลยของขอมล - คอ อตราการเปลยนแปลง (Rate) -

1

1. บทน ำ 1.1 ควำมส ำคญและทมำของปญหำ เจทไหลปะทะหรอเจทพงชนเปนเทคนคการแลกเปลยนความรอนหรอมวลสารระหวางของไหลกบพนผวทใชเจทของไหลทมความเรวสงจากปากทางออกไหลปะทะกบพนผวโดยตรง เนองจากการใชเจทไหลปะทะพนผวสามารถเพมอตราการถายเทความรอนหรอมวลสารไดสง โดยเฉพาะบรเวณทเจทไหลปะทะโดยตรง มผลท าใหการใหความรอนหรอระบายความรอนบนพนผวเกดรวดเรวขน ปจจบนมงานทางวศวกรรมจ านวนมากทใช ประยกตใช เจทไหลปะทะพนผว ตวอยางเชน การระบายความรอนภายในกงหนแกสเทอรไบนทมการใชกลมของเจทพงชนผนงดานในของกงหนเพอปองกนการเสยหายจากความรอนของแกสรอนทอยรอบใบกงหน เชนเดยวกบการระบายความรอนผนงของหองเผาไหม หรอการระบายความรอนในอปกรณอเลกโทรนกสทปจจบนใชเจทไหลปะทะจดรอนทเกดขนในอปกรณแทนการใชอากาศจากพดลมไหลผานจดรอน เนองจากอตราการเกดความรอนตอพนทเพมสงขน หรอในกระบวนการใหความรอน กระบวนการอบแหง หรอกระบวนการแชแขงผลตภณฑอาหารทตองการลดเวลาในกระบวนการผลต เปนตน

อยางไรกตามการใชเจทพงชนพนผวมขอดวย คอ ตองใชพลงงานปมหรอพดลมในการสรางเจททมความเรวสงเพอไหลปะทะพนผวใหไดอตราการถายเทความรอนทสงขนตามทตองการ นอกจากน อตราการถายเทความรอนมคาสงมากเฉพาะบรเวณศนยกลางทเจทพงชน (Stagnation point) เทานน และจะลดลงอยางรวดเรวตามแนวรศมเมอหางจากจดทเจทพงชน ท าใหเกดความไมสม าเสมอของการถายเทความรอนบนพนผว [1] จนถงปจจบนมงานวจยทน าเสนอวธการเพมความสามารถถายเทความรอนหรอมวลสารของเจทพงชน สามารถเพมอตราการถายเทความรอนหรอมวลสารบนพนผวใหสงขน โดยใชความเรวเจทเทาเดม ท าใหสามารถประหยดพลงงานทใชในปมหรอพดลมได เชน การปรบเปลยนปากทางออกของเจทเพอใหการถายเทความรอนบนพนผวสงขน

ลกษณะของปากทางออกเจทมผลตอการถายเทความรอนบนพนผวอยางมาก เชน ปากทางออกเจททขอบมนมผลท าใหการถายเทความรอนบนพนผวจะสม าเสมอขน แตทระยะพงชนนอยกวา 1D เทานน [2] ส าหรบเจทจากปากทางออกแบบชองสเหลยม (Slot nozzle) การถายเทความรอนบนพนผวกยงคงมลกษณะสงสดทจดพงชน (Stagnation point) และลดลงอยางรวดเรวตามแนวแกนทหางจากจดทเจทพงชนโดยตรงคลายกบเจททอปกต (Pipe nozzle) [3] สงผลใหการถายเทความรอนบนพนผวไมสม าเสมอ แตส าหรบเจทจากทอหนาตดแบบวงแหวน (Annular nozzle) นนสามารถเพมความสม าเสมอในการถายเทความรอนจากพนผว แตเมอระยะพงชนมากขน ความสามารถในการถายเทความรอนจะลดลงอยางรวดเรว [4] แตสามารถปรบปรงไดโดยการสอดใสแผนบด [5] และแผนบงคบการไหลทปากทางออก [6] ซงท าใหการถายเทความรอนเพมสงขนทระยะพงชนต า แตการถายเทความรอนลดลงเชนกนเมอระยะพงชนสงขน

นอกจากความสม าเสมอในการถายเทความรอนบนพนผว การเพมพนทในการถายเทความใหกวางขนจากแนวของทอเจทนนเปนสงส าคญเชนเดยวกน การตดตงตวบงคบใหเกดการไหลในแนวรศม (Radial jet nozzle) ซงเรยกวาเจทในแนวรศม โดยของไหลทไหลออกจากปากเจทจะบานออกในแนวรศม สงผลใหพนทถายเทความรอนเพมขน Neil Zuckerman และ Noam Lior [7] ไดแสดงความเรวในแนวรศมสงสดทระยะพงชนนอยทสด สงผลใหในกรณดงกลาวนความ

2

เขมขนของความปนปวนสงสดดวยเชนกน Potdar [8] เจททไหลในแนวรศมแบบเจาะรบนแผนกนจะเกดการไหลแบบหมนวนบนพนผวบรเวณในต าแหนงบรเวณทเจาะร ซ งจะไมปรากฏในกรณของเจททอปกต Peper และคณะ [9] ไดแสดงใหเหนวาเจทในแนวรศมสามารถเพมความสม าเสมอของพนผวถายเทความรอน ท าใหมการศกษาเพอประยกตใชในดานถายเทความรอน [10] รวมถงสทธบตรทแสดงการถอสทธเกยวกบอปกรณถายเทความรอนทประยกตเจทไหลในแนวรศม แตอยางกตาม จากเอกสารทไดทบทวนนน ยงขาดผลการศกษาทชชดถงมมของไหลทปากทางกบระยะของผนงพงชนทสามารถถายเทความรอนไดสงสด ดงนนในงานวจยนจงมแนวคดทจะศกษาผลของมมกรวยบงคบการไหลทตดตงบนปากทางออกเจทแบบวงแหวนทมตอลกษณะการไหลและการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน และเปรยบเทยบผลการศกษากบกรณทอเจทแบบปกตและทอเจทแบบวงแหวน (ไมตดตงกรวยบงคบการไหล) ทมพนทการไหลออกของเจทเทากน โดยก าหนดคาตวเลขเรยโนลดของการไหลคงทเทากบ Re=20,000

2

2. วตถประสงคและขอบเขตของงานวจย 2.1 วตถประสงคของงานวจย 2.1.1 ศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนจากปากทางออกเจทแบบวงแหวนทตดตงแทงกรวยบงคบการไหล และเปรยบเทยบผลกบกรณของหวฉดแบบทอธรรมดา 2.1.2 ศกษาผลของตวแปรมมของแทงกรวยบงคบการไหลและระยะหางจากปากทางออกทอเจทถงพนผวทเจทพงชน ทมลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนจากปากทางออกเจทแบบวงแหวนทตดตงแทงกรวยบงคบการไหล

2.2 ขอบเขตของงานวจย 2.2.1 ศกษาการไหลของเจทจากทอวงแหวนทตดตงและไมตดตงแทงกรวยบงคบการไหล และเจทจากทอธรรมดาทไหลพงชนตงฉากกบพนผว 2.2.2 ในการศกษาก าหนดใหอตราการไหลของเจทจากทอแตละแบบคงท โดยทคาเรยโนลดนมเบอร Re=20,000 เพอเปรยบเทยบผลการไหลและการถายเทความรอน 2.2.3 ศกษาผลของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh ตามล าดบ โดยท Dh คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลกของทอเจทวงแหวน 2.2.4 ศกษาผลของมมของแทงกรวยบงคบการไหลทมม 30o, 60o และ 90o 2.2.5 ศกษาลกษณะการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนโดยใชกลองอนฟราเรด (Infrared camera) วดการกระจายอณหภม 2.2.6 ศกษาลกษณะการไหล โดยใชโปรแกรมค านวณทางพลศาสตรของของไหล ANSYS version 13.0 (Fluent) 2.2.7 ศกษาการไหลของเจทพงชนโดยการวดการกระจายความดนบนผนงทเจทพงชน ดวย Pressure transducer 2.2.8 ศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน Laser Induced Fluorescence (LIF)

3

3. ขนตอนการวจย 3.1 โมเดลทใชในการศกษา รปท 1 แสดงโมเดลทอเจทแบบทอปรกต, แบบวงแหวนและแบบไหลในแนวรศมทใชในการทดลอง จากรปเจทไหลออกจากทอพงชนตงฉากกบพนผวก าหนดพกด X-Y อยบนพนผวตรงจดกงกลางทอและแกน Z อยในแนวเดยวกบการไหลของเจทตามทไดแสดงในรปท 1 โดยทอเจทแบบทอตรงท าจากทออะคลลกทขนาดเสนผานศนยกลางภายใน D=25.6 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ก) ทอเจทแบบวงแหวนสรางโดยสอดเพลาสแตนเลส ขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก d=12.7 mm ไวตรงกลางทอเหลกทมขนาดภายใน D=28.6 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ข) โดยทอเจทและเพลามความยาวเพยงพอทจะท าใหเกดการไหลแบบพฒนาตวกอนทอากาศจะไหลออกจากปากทางออกทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบานจากแนวแกนเจท =30o, 60 o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท โดยยดตดกบเพลาทอยตรงกลางทอเจท และก าหนดใหระยะจากปากทางออกทอเจทถงฐานของทรงกรวยมความสงคงทเทากบ 15 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ค) ส าหรบระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนไดปรบใหอยในชวง H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในทกการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทคงท โดยเทยบจากคาเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอตรงท /VDRe H = 20,000 โดยท V คอ ความเรวเฉลยและใช pitot tube วดความเรวลมทปากทางออก

(ก) กรณปรกต (ข) กรณทอวงแหวน (ค) กรณทอวงแหวนตดตงแทง กรวยบงคบการไหล

รปท 1 รปแบบโมเดลทใชในการศกษา

3.2 รายละเอยดชดทดลอง รปท 2 แสดงรายละเอยดของชดทดลองทใชในการศกษา เจทอากาศถกสรางจากการดดอากาศภายในหองทดลองโดยใชโบรเวอร แลวอากาศไหลผานออรรฟสเพอวดอตราการ

Impingement plateImpingement plate

15 mm

z

x

D = 28.6 mm

d = 12.7 mmd = 12.7 mm

Impingement plateImpingement plate

Hz

x

D = 28.6 mm

d = 12.7 mmd = 12.7 mm

H

Rod

Pipe

0

Impingement plateImpingement plate

Hz

x

D = 25.6 mm

Pipe

4

ไหลและควบคมอตราการไหลของอากาศโดยการควบคมความเรวรอบของมอเตอรใบพดดวยอนเวอรเตอร หลงจากนนอากาศจะไหลผานหองฮทเตอรเพอควบคมอณหภมของเจทอากาศใหคงทท 27+0.20C และไหลผานแผนตะแกรง 2 ชน เพอใหกระจายอณหภมตลอดหนาตดทอเจทสม าเสมอกอนทไหลผานไปยงทอเจททมความยาว 575 mm และไหลพงชนตงฉากกบพนผวโดยชดทดลองนถกออกแบบใหสามารถปรบระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนได โดยการเลอนผนงทเจทพงชนเขาออก

รปท 2 ไดอะแกรมของชดทดลองทใชในการศกษา

3.3 การศกษาการถายเทความรอนบนพนผว รปท 3 แสดงรายละเอยดผนงส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผวทเจทพงชน ส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผวไดใชแผนสเตนเลสบางทมความหนา 0.03 mm โดยแผนสเตนเลสนถกขงใหเรยบตงกบแผนพลาสตกหนา 15 mm ทเจาะหนาตางขนาด 240 mm x 240 mm ไวกลางแผน โดยใชแทงทองแดงยดแผนสเตนเลสไวทงสองขาง และแทงทองแดงทงสองนจะตอเขากบขวของตวจายกระแสไฟฟา เมอจายไฟฟากระแสตรงไหลผานแทงทองแดงไปยงแผนสเตนเลส จะเกดความรอนกระจายทวพนผวแผนสเตนเลส จากนนใชเจทพงชนพนผวท าการระบายความรอน เมอระบบเขาสสภาวะคงตว จงท าการบนทกคาการกระจายอณหภมบนพนผวแผนสเตนเลสดานตรงขามทเจทพงชนโดยใชกลองอนฟราเรดตรวจจบความรอน (Thermal infrared camera)

Blower

Manometer

Orifice

Power

controllerThermocouple Temperature

controller

Mesh plate

Movable impingement

plate

H

IR

camera

Pipe Nozzle

D = Nozzle diameter

H = Jet-to-plate distance

D

Inverter

Heater

chamber

Power

supply

Copper

bus bar

SUS304

foil

Screw

Acrylic

Black

paint

5

รปท 3 รายละเอยดผนงส าหรบการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผว

ส าหรบอตราการเกดความรอนในแผนสเตนเลส สามารถค านวณไดจากความสมพนธดงน

A

IVqinput (1)

ในทน I คอกระแสไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส V คอแรงดนไฟฟาทตกครอมแผนสเตนเลส และ A คอ พนทของพนผวถายเทความรอน (แผนสเตนเลส) จากนนสามารถค านวณคาสมประสทธการพาความรอนเฉพาะจดบนพนผว (h) ไดจากสมการ

aww

natradinput

TT

qqqh

(2)

ในทน 44

swrad TTq และ swcnat TThq คอ ฟลกซการสญเสยความรอนทเกดจากการแผรงสและการพาความรอนแบบธรรมชาตบนผนงดานหลงของแผนสเตนเลส Taw คออณหภมของแผนสเตนเลสเมอเจทพงชนในขณะทไมมฟลกซความรอน, Tw คออณหภมของแผนสเตนเลสทมฟลกซความรอน และ Ts คออณหภมบรรยากาศโดยรอบ คานสเซลตนมเบอรบนพนผวค านวณไดจากความสมพนธ

k

hDNu h (3)

SUS304

foil

ScrewCopper

bus bar

Acrylic

Black paint

Power supply

Infrared camera

Movable impingement plate

Jet pipe

Y

Z

left right

6

โดยท h คอสมประสทธการพาความรอนของอากาศ k คอสมประสทธการน าความรอนของอากาศ และ Dh คอไฮโดรลคไดมเตอรเนองจากทอทกแบบมพนทหนาตดและอตราการไหลทเทากน จงใช Dh=15.9 mm (ทอเจทแบบวงแหวน)ในการเปรยบเทยบคานสเซลตนมเบอร 3.4 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน รปท 4 แสดงชดทดลองทใชในการวดการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน เพอศกษาลกษณะการไหลปะทะพนผวของเจทจากทอแบบตางๆ โดยผนงทเจทพงชนท าจากแผนอะครลกหนา 15 mm ตรงกลางแผนเจาะรส าหรบตดตง adaptor ทท าจากทองเหลองทมผวเสมอกบผวของผนงทเจทพงชน และเจาะร tap วดความดนขนาดเสนผานศนยกลาง 0.5 mm บนแทงทองเหลอง เพอตดกบเซนเซอรวดความดน (pressure transducer) จากรปผนงทเจทพงชนประกอบเขากบโตะควบคมการเลอนต าแหนงแบบ 1แกน (1D Transverse table) ดงรป โดยเครองวดความดนจะตอเขากบเครองคอมพวเตอรเพอแปลงสญญาณไฟฟาทไดจากเครองวดความดน (pressure transducer) เปนคาความดน และขอมลความดนในแตละจดจะถกบนทกลงคอมพวเตอร ส าหรบวธการวดการกระจายของความดนของเจทพงชน โดยก าหนดต าแหนงการวดการกระจายความดน ทระยะหางจากปากทางออก H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh ในการเคลอนทไปยงต าแหนงทตองการจะวดใชชดควบคมอตโนมตปรบต าแหนงการเคลอนท ในสวนของการปรบระยะพงชน จะปรบโดยการเลอนเขา-ออกแลวท าการยดใหแนน ในการเกบขอมลดวยคอมพวเตอรนนจะใชความถในการเกบขอมล (sample of frequency) 20 Hz และตวอยางในการเกบขอมล (Number of samples) เทากบ 400 และจะน าขอมลของการกระจายความดนทไดมาวเคราะหเพออธบายโครงสรางการไหลของเจทพงชน

รปท 4 อปกรณทใชในการวดการกระจายของความดนทตดตงบนผนงทเจทพงชน

Pressure transducer

7

3.5 การจ าลองการไหลดวยวธค านวณทางพลศาตรของไหล ในงานวจยนใชโปรแกรม ANSYS Ver.13 (Fluent) ในการจ าลองการไหลของเจทพงชน โดยแบบจ าลองทใชในงานวจยนเปนจ าลอง 3 มต (3D) ดงรปท 5 แสดงโมเดลทใชในการจ าลองการไหล โดยจ าลองโมเดลใหเหมอนกบการทดลองจรงทกประการ จากรปโมเดลประกอบดวย 2 สวนคอ สวนแรกเปนสวนทเปนทอเจท (Nozzle pipe) มขนาดเสนผานศนยกลางคงทเทากบ Dh= 15.9 mm ส าหรบเจททไหลในแนวรศมจะตดแทงทรงกรวยท ามม =30o, 60o, 90o สง 15 mm สวนทสองเปนสวนของบรเวณทเจทพงชนพนผว ( Impingement surface) มเสนผานศนยกลางเทากบ 35Dh และระยะจากปากทางออกทอเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh

รปท 5 โมเดลทใชในการจ าลองการไหล

กรดทใชในแบบจ าลองจะมลกษณะเปนลกบาศกสเหลยมผนผา บรเวณตรงกลางจากปากทางออกทอถงพนผวทเจทพงชนและพนทผวพงชนมความละเอยดสง ซงบรเวณดงกลาวตองการความละเอยดในการค านวณสง และบรเวณปากทางออกของเจทและพนทผวพงชนมลกษณะกรดเปนชนๆ ซงมความละเอยดสงจากปลายทงสองขาง และความละเอยดจะลดลงเมอหางจากบรเวณปากทางออกของเจทและพนผวทเจทพงชน ในขนตอนการสรางกรดน จะก าหนดพนผวของแบบจ าลอง เพอสรางเงอนไขขอบเขตทใชในการค านวณดงแสดงในรปท 6 ส าหรบวธการค านวณ ไดก าหนดอลกอรทมเปนแบบ SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) โดย รายละเอยดของ Spatial discretization ในแตละสมการทใชในการค านวณก าหนดเปนแบบ Second order upwind โดยก าหนดเงอนไขในการหยดประมวลผลทคาความผดพลาด (Residuals) เทากบ 1×10-5

H

100 mm

Contant heat flux

D = 28.6 mmd = 12.7 mm

575 mm

35Dh

15 mm

cone

8

รปท 6 การก าหนดเงอนไขขอบเขตของการไหล

3.6 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลของเจทน ามวตถประสงคเพอ เปรยบเทยบโครงสรางการไหลของเจทพงชนจากทอเจทแบบตางๆ โดยในการศกษาเลอกเรยโนลดนมเบอร Re=4,000 ซงเปนชวงความเรวของเจทน าทสามารถสงเกตลกษณะโครงสรางการไหลของเจทไดชดเจน โดยตน า (Water tank) ทใชในการศกษาท าจากกระจกแกวใสเพอใหสามารถสงเกตการไหลของเจทน าได ตน ามขนาดความกวาง 80 cm ยาว 200 cm และสง 80 cm ในการทดลองน าจะถกดดสงจากถงเกบน า (Jet water tank) ขนาด 120 ลตร โดยใชปมน า (Water pump) แบบหอยโขง หลงจากนนน าจะไหลผานวาลวปรบอตราการไหล (Main valve) และอปกรณวดอตราการไหลขนาด 0.37-3.78 ลตรตอนาท ไปยงทอพกน า (Jet chamber) เพอกระจายน าทเขามาใหมความเรวสม าเสมอตลอดพนทหนาตดทอกอนทจะไหลออกจากหวฉด (Nozzle pipe) โดยทอเจท (D) ทใชมขนาดใหญกวากรณทใชศกษาเจทอากาศ 2 เทา เพอใหสามารถสงเกตลกษณะการไหลไดชดเจน โดยทอเจททใชท าจากทอพวซ ดงรปท 7 บนทกภาพโดยใชกลองดจตอลวดโอท 30 เฟรมตอวนาท

Constant heat flux wall

Velocity inlet

wallPressure outlet

9

รปท 7 แสดงชดทดลองทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF)

รปท 8 อปกรณทใชในการศกษาลกษณะการไหลดวยวธเชงทศน (LIF)

ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลของเจทน าอสระดวยวธเชงทศนแสดงดง รปท 8โดยใชวธผสมสาร Rhodamine B (C28H31CIN2O3) ลงในถงน า (Fluorescent water tank) ซงสาร Rhodamine B มคณสมบตเรองแสง หลงจากนนฉดเจทน าทมสารเรองแสงลงไปในน าใสทอยในตน า(Transparent water tank) และใชแสงเลเซอรสองตดผานตรงกลางของล าเจทเพอดโครงสรางการไหลของเจท ซงชดอารกอนเลเซอร (Argon laser) ทใชในการทดลองขนาด 500 mW ล าเจทเมอ

Flow meter

Main valve

Bypass valve

Water pump

Drain pipe

Laser sheet Nozzle pipe

Support

H

Test section Transparent water tank Fluorescent water tank

Pipe

Laser

กลองดจจตอลน าผสมสารเรองแสง

Jet pipe

ชดกรองน า

10

กระทบกบแสงเลเซอรจะเกดการเรองแสงขนจงสามารถมองเหนล าเจทไดอยางชดเจน และใช กลองดจตอลวดโอบนทกภาพลกษณะการไหลของเจทน า ซงจะสามารถมองเหนโครงสรางการไหลของเจทไดอยางชดเจน

10

4. ผลการทดลองและอภปรายผล 4.1 การถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน ในเบองตน ไดท ำกำรทดลองเพอเทยบอตรำกำรถำยเทควำมรอนบนพนผวทเจทพงชนกบงำนวจยในอดต รปท 9 แสดงกำรเปรยบเทยบกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกบงำนวจยอนๆ ทเงอนไขระยะจำกปำกทำงออกของเจทถงพนผวพงชน H/d=6 เรยโนลดนมเบอร Re=23,000 ขนำดเสนผำนศนยกลำงของทอเจท d=17.2 mm ซงใกลเคยงกนกบงำนวจยอนๆ โดยภำพรวมพบวำ ลกษณะกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรใกลเคยงกบงำนวจยในอดต โดยเฉพำะผลจำกกำรทดลองของ Lytle และ Webb [11], Gao และคณะ [12] และงำนวจยของ Gulati [13]

รปท 1 แสดงกำรเปรยบเทยบกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนตำมแนวศนยกลำง

ทอเจทกบงำนวจยอนๆ (ทเงอนไข H/d=6, เจทอำกำศ, Re=23,000)

รปท 10 ไดแสดงกำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนใน 5 กรณคอ เจทจำกทอปรกต เจทจำกทอวงแหวน เจทจำกทอทไหลในแนวรศมท ำมม θ เทำกบ 30, 60 และ 90 องศำ ในกรณของเจททอปรกต นสเซลตนมเบอรทระยะพงชน H=2Dh (รปท 10(a)) จะมคำสงสดทต ำแหนงจดศนยกลำงกำรชน ซงอยในแนวศนยกลำงทอเจท และคอยๆลดลงตำมระยะทหำงออกจำกแนวกงกลำงทอเจทหลงจำกนนจะเพมขนสงอกครง (Secondary peak) เปนรปวงแหวนทต ำแหนง X/Dh=3 เชนเดยวกนกบระยะพงชน H=4Dh (รปท 10(f)) ลกษณะกำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรจะมรปแบบทเหมอนกนแตจะมคำนสเซลตนมเบอร ต ำกวำทระยะพงชน H=2Dh (รปท 10(a)) และเรมลดลงอกทระยะพงชน H=6Dh และ 8Dh (รปท 10(k) และ (p)) จะไมปรำกฏคำนสเซลตนมเบอรเพมขนสงอกครง (Secondary peak) นอกจำกนยงพบวำบรเวณทมคำนสเซลตนมเบอรสงจะมบรเวณทแคบลง ในกรณของเจทวงแหวน ทระยะพงชนต ำสด H=2Dh (รปท 10(b)) กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรมคำต ำทต ำแหนงกงกลำงทอเจท ซงเปนผลมำจำกกำรสอดเพลำภำยในทอเจท

เจทยงไมเกดกำรรวมตวกอนไหลพงชนพนผว บรเวณทมกำรถำยเทควำมรอนสงเปนรปวงแหวนตำม

r/d

-6 -4 -2 0 2 4 6

Nuss

elt n

umbe

r, Nu

0

50

100

150

200

250

Nu

X/d

Y

d

6dZBaughn and Shimizu [21]Present results

Gulati et al. [19]Lee et al. [20]Gao et al. [6]Lytle and Webb [18][11]

[12]

[14]

[13]

[15]

11

ลกษณะของหนำตดทอเจท เมอระยะพงชนเพมขนเปน H=4Dh (รปท 10(g)) บรเวณทมอตรำกำรถำยเทควำมรอนต ำทต ำแหนงกงกลำงทอเจทมขนำดเลกลง เนองจำกเจทเกดกำรรวมตวมำกขนกอนพงชนพนผวและเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dh คำนสเซลตนมเบอรสงสดจะลดลงตำมล ำดบ แตคำสงสดจะเกดขนทจดศนยกลำงแนวทอเจท

รปท 2 กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000,Tj=27oC)

ส ำหรบเจทไหลในแนวรศม ทระยะพงชน H=2Dh คำนสเซลตนมเบอรสงสดมลกษณะเปนวงแหวนและทจดศนยกลำงแนวทอเจทไมใชต ำแหนงคำนสเซลตนมเบอรสงสด โดยพนทของวงแหวนจะเพมขนตำมมม θ ทเพมขน แตพนทศนยกลำงวงแหวนทมคำนสเซลนมเบอรต ำกวำมขนำดเพมขนเชนกน ท ำใหในกรณของมม θ=90 องศำ พนทวงแหวนและคำนสเซลตนมเบอรจะมคำมำกทสด และลดลงตำมแนวรศมทเพมขน เมอระยะพงชนเพมเปน H=4Dh ทมม θ=30 องศำ คำนสเซลนมเบอรสงสดจะลดลง แตยงปรำกฏลกษณะวงแหวน แตจะมคำใกลเคยงกบจดศนยกลำง และเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dh จดศนยกลำงจะมคำนสเซลตนมเบอรสงสด แตจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขน ส ำหรบกรณมม θ=60o ทระยะพงชน H=4Dh กำรกระจำยตวของคำนสเซลตนมเบอรจะไมสมมำตร โดยมลกษณะเปนวงแหวนทหำยไปบำงสวน และเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dh จดศนยกลำงจะมคำนสเซลตนมเบอรสงสด แตจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขน ในกรณ มม θ=90o เมอระยะพงชนเพมเปน H=4Dh คำนสเซลตนมเบอรสงสดมลกษณะเปน

-4 0 2 4-2X/Dh

-6 6-4 0 2 4-2X/Dh

-6 6-4 0 2 4-2X/Dh

-6 6

-4 0 2 4-2X/d

X/d

-4 0 2 4-2X/Dh

-6 6

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

Nu

H=

2D

hH

=4

Dh

H=

6D

hH

=8

Dh

Radial jet θ=60oRadial jet θ=30oAnnular jet Radial jet θ=90o

(b) (c) (d) (e)

(g) (h) (i) (j)

(l) (m) (n) (o)

(q) (r) (s) (t)

-4 0 2 4-2X//Dh

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6 6-6

6

-4 0 2 4-2X//Dh

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6 6-6

6

-4 0 2 4-2X//Dh

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6 6-6

6

-4 0 2 4-2X/Dh

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6 6-6

6

Conventional jet

(a)

(f)

(k)

(p)

12

วงแหวนยงปรำกฏอย แตมคำลดลง และเมอระยะพงชนเพมเปน H=6Dh และ 8Dhคำนสเซลตนมเบอรจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขนอยำงมำก ส ำหรบเจททไหลในแนวรศมกรณมม θ=60o และ H=4Dh ตำมทไดแสดงในรปท 10(i) นนพบวำลกษณะบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคำสง (Nu≥90) ไมเปนวงแหวน จำกกำรวดคำนสเซลตนมเบอรทเปลยนแปลง จำก t1 ถง t8 เมอ t คอเวลำทหำงกน1วนำท พบวำลกษณะกำรกระจำยของคำนสเซลนมเบอรไมเปลยนแปลงตำมเวลำตำมทไดแสดงในรปท 11 ซงจะไดอธบำยปรำกฏกำรณนในสวนลกษณะกำรไหลตอไป

รปท 3 กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกรณเจททไหลในแนวรศมทมม θ=60o

และระยะ H=4Dh โดยเปลยนแปลงตำมเวลำ

รปท 12 แสดงกำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน ทต ำแหนงพงชน H=2Dh กรณของเจทจำกทอปรกตจะมคำสงสดทจดศนยกลำงแนวทอเจทประมำณ 130 และเรมลดลงตำมแนวรศมทเพมขน โดยทระยะ r/Dh=3 คำนสเซลนมเบอรจะมคำสงสดอกครง (Secondary peak) และเรมลดลงอกครงเมอระยะหำงตำมแนวรศมเพมขน ในขณะทกรณของเจทจำกทอวงแหวน และเจทจำกทอไหลในแนวรศม จะมคำสงสด 2 ต ำแหนงทงขำงของจดศนยกลำง โดยกรณของเจทวงแหวนจดสงสดของนสเซลตนมเบอรเกดขนใกลกบจดศนยกลำงทสด ถดไปเปนเจทไหลในแนวรศมท ำมม θ=30, 60 และ 90 องศำ ตำมล ำดบ โดยทเจทไหลในแนวรศมท ำมม θ=90 องศำ จะมคำนสเซลตนมสงกวำทกกรณ ซงนสเซลตนมมคำสงสดสงกวำเจททอปรกตประมำณ 30 เปอรเซนต ทระยะพงชน H=4Dh เจททอปรกตยงคงมคำนสเซลนมเบอรสงสดทจดศนยกลำง ในขณะทกรณอนๆ มคำสงสด 2 ต ำแหนงทงขำงของจดศนยกลำงเชนเดม แตกรณของเจทไหลในแนวรศมมม θ=90 องศำ มคำนสเซลนมเบอรต ำทสด โดยเจทจำกทอวงแหวนจะมคำสงสดรองลงเปนเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=30 องศำ เจทจำกทอวงแหวน และเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=60 องศำ ตำมล ำดบ เมอระยะพงชนเพมขนเปน H=6Dh และ 8Dh กรณของเจทจำกทอปรกตจะมคำนสเซลนมเบอรสงสด รองลงมำเปนเจทจำกทอวงแหวน และเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=30, 60 และ 90

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6

6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

-6 6

-6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6

6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6 6

-6

6-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6

-6

6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6 6

-6

6-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Z/D

h

-6-6

6

X/Dh X/Dh

X/Dh

-4 0 2 4-2

X/Dh

0

-2

-4

2

4

Z/D

h

-6 6-6

6

X/Dh

150140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

Nut1 t2 t3 t4

t7t6t5t8

13

องศำ ตำมล ำดบ ส ำหรบในกรณเจทจำกทอไหลในแนวรศมมม θ=90 องศำ คำนสเซลนมเบอรทระยะพงชนต ำแหนงดงกลำวนจะลดลงตำมระยะหำงทเพมขนเปนอยำงมำก

รปท 4 กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)

รปท 13 แสดงนสเซลนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชนทคดคำเฉลยในชวงบรเวณ 0≤r/Dh≤1, 0≤r/Dh≤2, 0≤r/Dh≤3 และ 0≤r/Dh≤4 โดยนสเซลนมเบอรเฉลยหำโดยน ำอณหภมเฉลยในบรเวณทค ำนวณไปแทนในสมกำรท (2) จะไดคำสมประสทธกำรพำควำมรอนเฉลย ( h ) จำกนนน ำคำสมประสทธกำรพำควำมรอนเฉลย( h ) ไปแทนในสมกำรท (1) จะไดคำนสเซลนมเบอรเฉลย จำกรปแนวโนมของนสเซลตนมเบอรเฉลยลดลงตำมกำรเพมขนของระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชน (H) เมอพจำรณำบรเวณ 0≤r/Dh≤1 และ 0≤r/Dh≤2 ทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 13 (a) และ (b)) นสเซลนมเบอรเฉลยของเจทจำกทอวงแหวนมคำสงกวำเจททไหลในแนวรศมเนองจำกนสเซลตนมเบอรบรเวณศนยกลำงทอเจทกรณเจททไหลในแนวรศมมคำต ำ ซงเกดจำกผลของกำรตดทรงกรวยทปำกทำงออกเจท เมอพจำรณำบรเวณ 0≤r/Dh≤4 ทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 13 (d)) พบวำนสเซลนมเบอรเฉลยของเจทจำกทอทไหลในแนวรศมทกกรณมคำสงกวำเจทจำกจำกทอวงแหวน

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8N

u

40

60

80

100

120

140

160

180

200(b) H = 4D

h

r/Dh

-6 -4 -2 0 2 4 6

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(a) H = 2D

h

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Radial jet =90o

Radial jet =60o

Radial jet =30o

Annular jet

Conventional jet

(d) H = 8Dh

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(c) H = 6D

hRadial jet =90

o

Radial jet =60o

Radial jet =30o

Annular jet

Conventional jet

14

รปท 5 นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC)

4.2 การศกษาการกระจายความดนบนพนผวทเจทพงชน รปท 14 แสดงผลกำรกระจำยควำมดนทไดจำกกำรทดลองบนพนผวทเจทพงชนทต ำแหนง X/Dh ตำงๆ ทเรยโนลดนมเบอรเทำกบ 20,000 พบวำกรณระยะพงชนพนผว H=2Dh ผลของควำมดนสงสดของเจทจำกทอปรกตเกดขนทต ำแหนงจดศนยกลำงของทอเจทซงเกดขนเพยงจดเดยว สวนควำมดนของเจทจำกทอวงแหวนและจำกทอในแนวรศมเกดควำมดนสงสดขน 2 ต ำแหนงซงเกดหำงจำกจดศนยกลำงทอเจทออกไปในต ำแหนง X/Dh โดยทต ำแหนงระยะหำงจำกศนยกลำงทเกดควำมดนสงสดเกดขนในกรณเจทจำกทอไหลในแนวรศมท ำมม θ=90o, 60o, 30o และเจทจำกทอวงแหวนตำมล ำดบ กรณทระยะพงชนพนผว H=4Dh (รปท 14(b)) พบวำลกษณะกำรกระจำยควำมดนคลำยกบกรณทเงอนไข H=2Dh (รปท 14(a)) แตคำควำมดนสงสดมคำลดลง และคำควำมดนสงสดลดลงเมอระยะพงชนเพมขนเปน H=6Dh และ 8Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140 (b) 0<r<2Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140 (a) 0<r<1Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140

Radial jet =90o

Radial jet =60o

Radial jet =30o

Annular jet

Conventional jet

(d) 0<r<4Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140

Radial jet =90o

Radial jet =60o

Radial jet =30o

Annular jet

Conventional jet

(d) 0<r<4Dh

15

รปท 6 กำรกระจำยควำมดนบนพนผวทเจทพงชนทต ำแหนงศนยกลำงทอเจท (ผลจำกกำรทดลอง,

Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)

รปท 15 แสดงผลกำรกระจำยควำมดนบนพนผวทเจทพงชนทไดจำกจ ำลองลกษณะกำรไหลทคำเรยโนลดนมแบอรเทำกบ 20,000 จำกรปพบวำลกษณะกำรกระจำยควำมดนคลำยกบกรณทไดจำกกำรวดตำมทไดแสดงในรปท 14 นอกจำกนยงพบวำ ผลลกษณะกำรกระจำยควำมดนทงสองกรณสอดคลองกบกำรกระจำยนสเซลตนมเบอรบนพนผวตำมแนวศนยกลำงทอเจทตำมทไดแสดงในรปท 12

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

(b) H = 4Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

(a) H = 2Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssure

(P

a)

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Annular jet

Radial jet =30o

Radial jet =60o

Radial jet =90o

Conventional

(d) H = 8Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

(c) H = 6Dh

Annular jet

Radial jet =30o

Radial jet =60o

Radial jet =90o

Conventional

16

รปท 7 กำรกระจำยควำมดนบนพนผวทเจทพงชนทต ำแหนงศนยกลำงทอเจท (ผลจำกกำรจ ำลอง

ลกษณะกำรไหล, Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)

รปท 16 แสดงกำรกระจำยของควำมดนบนผนงพงชนจำกกำรทดลองเทยบกบผลจำกกำรจ ำลองลกษณะกำรไหลในกรณของเจททไหลในแนวรศม θ=60 ทระยะ H=4Dh ซงพบวำมคำใกลเคยงกนแสดงวำผลจำกำรจ ำลองกำรไหลมควำมนำเชอถอ

รปท 8 การกระจายของความดนบนผนงพงชนจากการทดลองเทยบกบผลจากการจ าลองลกษณะ

การไหล(กรณของเจททไหลในแนวรศมθ=60 ทระยะ H=4Dh)

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100

(b) H = 4Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100

(a) H = 2Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100Annular

Radial jet 30

Radial jet 60

Radial jet 90

(d) H = 8Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Pre

ssu

re (

Pa

)

-20

0

20

40

60

80

100

(c) H = 6Dh

X/Dh

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-20

0

20

40

60

80

100

120

140Radial jet =60

CFD Radial jet = 60

Pre

ssure

(P

a)

17

4.3 การศกษาลกษณะการไหลของเจททพงชนพนผวโดยวธการจ าลองทางพลศาสตรของไหล

รปท 17 แสดงลกษณะกำรไหลของเจททไดจำกผลกำรจ ำลองลกษณะกำร ไหลกรณเจทไหลจำกทอปรกตทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำH=2Dh (รปท17(a)) เจททไหลออกจำกทอเจทจะพงชนพนผวทนทท ำใหเกดบรเวณทนสเซลตนมเบอรสงหลงจำกพงชนผนงจะเกดกำรเปลยนแปลงกำรไหลจำกแบบรำบเรยบเปนแบบปนปวนท ำใหคำนสเซลตนมเบอรสงขนอกครง(Secondary peak) บรเวณ H/Dh =3 ควำมเรวของเจทลดลงตำมระยะหำงทเพมขนจำกแนวกงกลำงทอเจท เมอระยะพงชนสงขน H≥4D (รปท 17(f), (k) และ (k)) เจททออกจำกหวฉดจะถกเฉอนดวยอำกำศรอบล ำเจทท ำใหเจทมควำมเรวสงเฉพำะบรเวณกงกลำงทอเจทซงสอดคลองคำนสเซลตนมเบอรเฉพำะตรงจดกงกลำงทอเจท กรณเจทจำกทอวงแหวนทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 17(b)) เจทไหลออกจำกทอวงแหวนพงชนพนผวทนท จดทเจทไหลตกกระทบท X/Dh

±1.5 ซงสอดคลองกบต ำแหนงทนสเซลตนมเบอรมคำสงสดตำมทไดแสดงในรปท 10(b) เมอระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขนH≥4D (รปท 17(g), (l) และ (q)) พบวำเจทไหลรวมตวกอนทจะพงชนพนผว ซงเปนสำเหตทท ำใหนสเซลตนมเบอรบรเวณทต ำแหนงศนยกลำงทอมคำเพมขนเมอเทยบกบทระยะ H=2Dh กรณเจททไหลในแนวรศมทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำH=2Dh (รปท 17(c), (d) และ (e)) เจทเกดกำรแยกตวและไหลตกกระทบพนผวหำงออกจำกจดศนยกลำงทอเจทมำกขนเมอมม θ เพมขน ซงสอดคลองกบต ำแหนงทนสเซลตนมเบอรมคำสงสดตำมทไดแสดงในรปท 10(c), (d) และ (e) เมอระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D เจทไหลแยกตวออกจำกกนและมสวนทไหลกระทบพนผวนอย ท ำใหกำรถำยเทควำมรอนลดลงและสงเกตเหนบรเวณทมควำมเรวต ำใตแทงกรวยทตดตงทปำกทำงออกของทอเจทเพอสรำงเจทวงแหวนเมอมม θ เพมขนบรเวณควำมเรวต ำใตแทงกรวยเพมขนตำม ซงเปนผลของกำรตดแทงกรวยท ำใหล ำเจทเลยวเบนตำมมมตำงๆในแนวรศม กรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o พบวำ ลกษณะกำรไหลคลำยกบกรณเจทจำกทอวงแหวน ซงสอดคลองกบกำรถำยเทควำมรอนบนพนผวกรณเจททไหลออกจำกทอวงแหวน (รปท 10(a), (e), (i) และ (m)) มลกษณะคลำยกบกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o เชนกน (รปท 10(b), (f), (j) และ (n)) เจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o จะเรมเกดกำรรวมตวของล ำเจททระยะพงชนพนผว H=6Dh แตเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=60o จะเรมเกดกำรรวมตวของล ำเจททระยะพงชนพนผว H=8Dh ในสวนของเจททไหลในแนวรศมทเงอนไขมม θ=60o ระยะพงชนพนผว H=4Dh ควำมเรวใตแทงกรวยจะแตกตำงจำกกรณอนๆเนองดวยบรเวณกงกลำงทอจะมควำมเรวคอนขำงสง

18

รปท 9 แสดงลกษณะกำรไหลของเจทพงชนจำกผลกำรล ำลองลกษณะกำรไหล (Re=20,000,

Tj=27oC)

รปท 18 แสดงพลงงำนจลนแบบปนปวน (Turbulence kinetic energy)พบวำกรณจำกเจททอปรกต(รปท 18(a), (f), (k) และ (p))เจททออกจำกหวฉดเกดกำรเฉอนกนกบอำกำศนงทอยรอบล ำเจทท ำใหรอยตอทมกำรเฉอนนนเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสงกวำบรเวณอนๆ กรณเจทจำกทอวงแหวนทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 18(b)) เจททออกจำกหวฉดจะพงชนพนผวโดยตรงท ำใหเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสงในบรเวณทเจทพงชน เมอระยะพงชนสงขน H≥4D (รปท 18(g), (l) และ (q)) เจททออกจำกหวฉดจะเกดกำรเฉอนกบอำกำศนงทอยรอบล ำเจทดำนนอกและอำกำศทอยกงกลำงทอเจทท ำใหเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสง 2บรเวณ คอบรเวณรอบล ำเจทดำนนอกและบรเวณกงกลำงแนวกงกลำงทอเจท กรณเจททไหลในแนวรศมทระยะจำกปำกทำงออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต ำH=2Dh (รปท 18(c), (d) และ (e)) เจทเกดกำรไหลตกกระทบพนผวหำงออกจำกจดศนยกลำงทอเจทมำกขนเมอมม θ เพมขน โดยกำรเพมขนของมมท ำใหเจทเกดกำรเฉอนกบอำกำศไดมำกขนสงผลใหเกดพลงงำนจลนแบบปนปวนสง โดยคำสงสดเกดทกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=90o (รปท 18(e))ซงบรเวณดงกลำวสอดคลองกบต ำแหนงทมคำนสเซลตนมเบอรสงสด (รปท 10(e)) เมอระยะ

พงชนสงขน H≥ 4D เจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=30o และ60o (รปท 17(h), (i),(m),(n), (r) และ (s))จะพบบรเวณทมพลงงำนจลนแบบปนปวนสงใตแทงกรวย ซงบรเวณดงกลำวเปนทพบโครงสรำงกำรไหลแบบหมนวนกอนทเจทจะรวมตวกนแลวพงชนพนผว สวนเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข θ=90o(รปท 18(j), (o) และ (t)) เจทจะไหลออกจากหวฉดจะเกดการผสมกบอากาศท

อยรอบๆจนท าใหพลงงำนจลนแบบปนปวน มคำนอยกวำเจททไหลในแนวรศมเงอนไขอนๆ

X/Dh

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh

Y/D

hY

/Dh

Y/D

h

Z/D

h

43

21

0

Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90oH

=8

Dh

H=

6D

hH

=4

Dh

H=

2D

h

(b)

Velocity (m/s)

18.0

16.4

14.8

13.2

11.6

10.0

8.4

6.8

3.6

2.0

5.2

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

(c) (d) (e)

(h) (i) (j)

(l) (m) (n) (o)

(q) (r) (s) (t)

21

0

Z/D

h

(g)

(a)

(f)

Conventional jet

Z/D

h

65

43

21

0

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

Z/D

h

87

65

43

21

0

(p)

(k)

19

รปท 10 แสดงพลงงานเชงจลนแบบปนปวน (Turbulence kinetic energy) (Re=20,000,

Tj=27oC)

รปท 19 แสดงลกษณะกำรกระจำยของคำนสเซลนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนจำกกรณทอวงแหวนทเงอนไข θ=60o องศำ ระยะพงชน H=4Dh จำกรป กำรกระจำยของนสเซลตนมเบอรไมสมมำตรโดยขำดไปบำงสวน เมอเทยบกบลกษณะกำรไหลของเจทจำกผลกำรจ ำลองกำรไหลพบวำ ลกษณะกำรไหลของเจทกอนพงชนพนผวมลกษณะไมสมมำตรเชนเดยวกนเมอเทยบกบลกษณะกำรถำยเทควำมรอนบนพนผวของเจท ซงเกดจำกทเงอนไขดงกลำวน อำกำศทอยดำนลำงกรวยไหลออกแทรกผำนแนวกำรไหลของเจททพงออกมำจำกปำกทำงออก ท ำใหกำรไหลสวนนขวำงกำรปะทะของเจทกบพนผว สงผลท ำใหบรเวณดงกลำวมคำนสเซลนมเบอรต ำกวำแนววงแหวน

รปท 11 กำรถำยเทควำมรอนบนพนผวทเจทพงชนจำกผลกำรทดลอง และลกษณะกำรไหลของเจท

จำกกำรจ ำลองลกษณะกำรไหล (Re=20,000, Tj=27oC)

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh

Y/D

h

Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90oH

=8

Dh

H=

6D

hH

=4

Dh

H=

2D

h

(b)

TKE (J/kg)

14.0

12.8

11.6

10.4

9.2

8.0

6.8

5.6

3.2

2.0

4.4

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

(c) (d) (e)

(g) (h) (i) (j)

(l) (m) (n) (o)

(q) (r) (s) (t)

21

0

Z/D

h (a)

Conventional jet

10

23

4

Z/D

h

(f)

Z/D

h

65

43

21

0

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

Z/D

h

87

65

43

21

0

(p)

(k)

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

Z/D

h

X/Dh

-4 0 2 4-2

X/d

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6 6

-6

6

-4 0 2 4-2

X/d

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6 6

-6

6

การไหลในระนาบ xz yzการไหลบนผนงพงชน

Nu

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

Z/D

h

Y/Dh

X/Dh

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh

Y/D

hY

/Dh

Y/D

h

Z/D

h

43

21

0

Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90o

H=

8D

hH

=6

Dh

H=

4D

hH

=2

Dh

(b)

Velocity (m/s)

18.0

16.4

14.8

13.2

11.6

10.0

8.4

6.8

3.6

2.0

5.2

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

(c) (d) (e)

(h) (i) (j)

(l) (m) (n) (o)

(q) (r) (s) (t)

21

0

Z/D

h

(g)

(a)

(f)

Conventional jet

Z/D

h

65

43

21

0

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

Z/D

h

87

65

43

21

0

(p)

(k)

20

4.4 การศกษาลกษณะการไหลของเจทน าดวยวธเชงทศน รปท 20 และ 21 แสดงลกษณะกำรไหลของเจทน ำทไดจำกกำรทดลองโดยใชวธ Lacer Induced Fluorescence ทเรยโนลดนมเบอร Re=4,000 กรณของเจทจำกทอเปลำทระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 20(a)) ล ำเจททไหลออกจำกทอพงชนพนผวทนท เมอระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนเพมขนเปน H≥4Dh (รปท20 (f), (k) และ (p)) เจทเกดกำรไหลแบบปนปวนเพมขนตำมระยะหำงกอนพงชนพนผว ส ำหรบกรณเจทจำกทอวงแหวนและจำกทอทบงคบใหเจทไหลในแนวรศมทระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 20 (b), (c), (d) และ (e)) พบวำเจทจำกทอวงแหวนและเจททไหลในแนวรศมมบรเวณทเจทพงชนพนผวกวำงกวำเมอเทยบกบเจทจำกทอเปลำทระยะพงชนเดยวกน

ส ำหรบทเงอนไขระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนสง H≥4Dh พบวำ เจทจำกทอวงแหวนและทอทบงคบใหไหลในแนวรศม เกดกำรรวมตวกอนพงชนพนผว ซงแตกตำงจำกกรณเจทจำกทอปรกตทไมมกำรไหลแบบแยกตว เจททไหลออกจำกทอทบงคบใหไหลในแนวรศมเกดกำรไหลแบบเอยง ท ำใหเกดกำรผสมกนไดมำกกวำ ส ำหรบกรณเจทจำกทอทบงค บใหไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o พบวำ ผลของมมเอยงมำกสดท ำใหล ำเจทเอยงเฉอนกบของไหลเกดควำมปนปวนทกวำงมำกกวำในทกกรณท ำใหเมอระยะพงชนเพมขน แทบไมมล ำของเจทพงชนพนผวซงจะสงเกตไดจำกรปท 20 (o) และ (t)

21

รปท 12 ลกษณะกำรไหลของเจทน ำดวยวธเชงทศน (Re=4,000)

จำกรปท 21 แสดงลกษณะกำรไหลของเจทน ำบนพนผวทเจทพงชน จำกรปพบวำในกรณของเจททอปรกต กำรไหลของเจทบนพนผวมลกษณะเปนวงกลม โดยทกๆระยะจำกจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนมควำมแตกตำงไมมำกนก ส ำหรบกรณของเจทจำกทอวงแหวนและทอทบงคบใหไหลในแนวรศมทเงอนไข θ =30o ลกษณะบรเวณทเจทตกกระทบบนพนผวกวำงกวำกรณเจทจำกทอเปลำทกๆระยะจำกจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชน ส ำหรบกรณ เจทจำกทอบงคบใหไหลในแนวรศมทเงอนไข θ =60o และ 90o พบวำทเงอนไขระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนต ำ H=2Dh (รปท 21 (d) และ (e)) กำรไหลของเจทบนพนผวมลกษณะเปนวงแหวน แตเมอระยะจำกปำกทำงออกถงพนผวทเจทพงชนสง H≥4Dh พบวำ ไมสำมำรถระบบรเวณทเจทพงชนพนผวได (รปท 21 (i), (J), (n), (o), (s) และ (t))

Radial jet θ=90o2D

hAnnular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o

1

2

3

Z/D

h

012

-2-1

Y/Dh

1

2

3

Z/D

h

012

-2-1

Y/Dh

1

2

3

4

Z/D

h

012

-2-1

Y/Dh

0

1

2

3

Z/D

h

012

-2-1

Y/Dh

012

-2-1

Y/Dh

Z/D

h

012

-2-1

Y/DhZ

/Dh

012

-2-1

Y/Dh

Z/D

h

012

-2-1

Y/Dh

Z/D

h

Y/Dh

Z/D

h

Y/Dh

Z/D

h

Y/Dh

Z/D

h

Y/Dh

Z/D

h

0

1

2Z

/Dh

Conventional jet

0

1

2

3

4

Z/D

h

012

-1

Y/Dh

012

-2-1

Y/Dh

Z/D

h

Y/Dh

Z/D

h

4D

h6D

h8D

h

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

(f) (g) (h) (i) (j)

(k) (l) (m) (n) (o)

(p) (q) (r) (s) (t)

22

รปท 13 ลกษณะกำรไหลของเจทน ำบนผนงทเจทพงชนดวยวธเชงทศน (Re= 4,000)

22

5. สรปผลการทดลอง 5.1 สรปผลการวจย

งานวจยนไดศกษาลกษณะการไหลและถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม โดยเทยบผลการศกษากบเจทจากทอปรกต จากผลการศกษาสรปไดวา

5.1.1 กรณเจทจากทอวงแหวนและเจทจากทอทบงคบใหเจทไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh พบวา บรเวณทมการถายเทความรอนสงมลกษณะเปนรปวงแหวน เนองจากเจทไหลพงชนพนผวทนท (ยงไมมการรวมตว) อตราการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) สงกวากรณเจทจากทอปรกต ส าหรบเจทจากทอทบงคบใหไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o พบวาบรเวณทมการถายเทความรอนสงมขนาดกวางกวาทเงอนไขอนๆ

5.1.2 กรณเจทจากทอวงแหวนและเจทจากทอทบงคบใหเจทไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H≥4D พบวา บรเวณทมการถายเทความรอนสงเกดขนทต าแหนงศนยกลางทอเจท เนองจากเจทมการรวมตวกอนพงชนพนผว ยกเวนกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o พบวาเจทไมมการไหลรวมตวกอนพงชนพนผว ท าใหการถายเทความรอนบรเวณศนยกลางทอเจทมคาต าสด

5.1.3 ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H≥4D แนวโนมการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) ลดลงเมอเทยบกบกรณ H=2Dh ในขณะทการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) กรณเจทจากทอปรกตมแนวโนมเพมสงขนตามการเพมขนของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน

5.1.4 ส าหรบกรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =90o ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวท เจทพงชนH=2Dh พบวา อตราการถายเทความรอนเฉลยบนพนผว (0≤r/Dh≤4) มคาสงสด

5.1.5 กรณเจททไหลในแนวรศมทเงอนไข =60o ทระยะจากปากทางออกถงพนผวพงชน H=4Dh เกดปรากฎการณเจทรวไหลออกจากกงกลางเปนแนวยาว ท าใหบรเวณดงกลาวทมคานสเซลตนมเบอรต า

5.2 ขอเสนอแนะ งานวจยนไดศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลในแนวรศมโดยการตดตงแทงทรงกรวยทท ามมแบบตางๆทปากทางออก ในการศกษาขนตอไปอาจจะท าไดดงตอไปน 5.2.1 ศกษาวธลดบรเวณทมการถายเทความรอนต าบรเวณกงกลางทอเจทไดจะท าใหไดบรเวณททมการถายเทความรอนสงกวางขน 5.2.2 เจททไหลในแนวรศมสามารถน าไปประยกตตดตงในตอบหรออปกรณทตองการการถายเทความรอนสงเปนบรเวณกวางกวาทเจทปกต

24

บรรณณานกรม [1] C. Nuntadusit, M. Wae-hayee, A. Bunyajitradulya, S. Eiamsa-ard, “Visualization of flow and heat transfer characteristics for swirling impinging jet”, International Communications in Heat and Mass Transfer 39 (2012) 640–648] [2] Colucci, D.W.; Viskanta, R. Effect of nozzle geometry on local convective heat transfer to a confined impinging air jet. Exp. Thermal Fluid Sci.1996,13, 71–81. [3] Ashforth-Frost, S.; Jambunathan, K.; Whitney, C.F. Velocity and turbulence characteristics of a semiconfined orthogonally impinging slot jet. Exp. Thermal Fluid Sci.1997,14, 60–67. [4] K Knowles and M. Myszko,Turbulence, 1998, Measurements in radial wall-Jets,Experiment Thermal and Fluid Science,Vol 17,pp71-78. [5] H.Q. Yang a, T. Kim a,b,*, T.J. Lu a, K. Ichimiya, 2010, Flow structure, wall pressure and heat transfer characteristics of impinging annular jet with/without steady swirling International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.53, pp.4092–4100 [6] H.Q. Yang, T. Kim, T. Tanjian , 2011, Characteristics of annular impinging jet with/without swirling flow by short guide vane, science china technological science, vol.54, p749-757 [7] Neil Zuckerman and Noam Lior, 2007,Radial slot Jet Impingement Blow and Heat Transfer on a Cylindrical Target, Journal of thermophysics and heat Transfer,Vol 21,No.3 [8] Potdar, A. A., 2005, Flow field characteristics of dynamic radial jet reattachment, Thesis of Master of Science in Mechanical Engineering, Texas Tech University. [9] Peper, F., Leiner, W. and Fiebig, M., 1997, Impinging radial and inline jets: a comparison with regard to heat transfer, wall pressure distribution, and pressure loss, J. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 14, pp. 194-204. [10] Cosley, M. R., and Marongiu, M. J. Studies on the use of radial jet reattachment nozzles as active heat sinks for electronic component boards, 10th IEEE Semi-Therm, pp.64-72. [11] Lytle, D. and Webb, B.W., (1994), “Air jet impingement heat transfer at low nozzle-plate spacings”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 37, No. 12, pp. 1687-1697. [12] Gao, N., Sun, H. and Ewing, D., (2003), “Heat transfer to impinging round jets with triangular tabs”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46, No. 14, pp. 2557-2569.

25

[13] Gulati, P., Katti, V. and Prabhu, S.V., (2009), “Influence of the shape of the nozzle on local heat transfer distribution between smooth flat surface and impinging air jet”, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, No. 3, pp. 602-617. [14] Lee, D.H., Song, J. and Myeong, C.J., (2004), “The effect of nozzle diameter on impinging jet heat transfer fluids flow”, Journal of Heat Transfer, Vol. 126, pp. 554-557. [15] Baughn, J.W. and Shimizu, S., (1989), “Heat transfer measurements from a surface with uniform heat flux and an impinging jet”, Journal of Heat Transfer, Vol. 111, pp. 1096-1098.

26

26

ภาคผนวก ก. บทความส าหรบเผยแพร 1

27

Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics of

Annular Impinging Jet

Watchara Musika1,a, Makatar Wae-hayee1,b, Passakorn Vessakosol1,c, Banyat Niyomwas1,d and Chayut Nuntadusit1,e*

1Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

Prince of Songkla University, Hat yai, Songkhla, Thailand apop_ts@hotmail.com, bwaehahyee@gmail.com,

cpassakornv@hotmail.com, dbanyat@engineer.com, echayut@me.psu.ac.th

Keywords: Impinging jet, Annular jet, Heat transfer enhancement, CFD

Abstract. Flow and heat transfer characteristics of impinging jet from annular pipe were experimentally and numerically investigated. To generate annular jet, the round rod with 12.7 mm in diameter was inserted at center of pipe nozzle which has equivalent inner diameter (DE) of 28.6 mm. The jet-to-plate distance (H) in the range of 2DE, 4DE, 6DE and 8DE was examined. The jet Reynolds number of conventional pipe was fixed at Re=20,000 based on velocity at center of jet, and the mass flow rate of both conventional and annular jets was the same. Temperature distribution on the impinged surface was obtained by using an infrared camera. The numerical simulation was carried out to visualize the flow behavior. The results show that the heat transfer of annular jet is higher than that the conventional pipe at low jet-to-plate distance (H=2DE); however, the ones of annular and conventional jet are comparable when jet-to-plate distance becomes higher than H=6DE. Introduction

Jet impingement is widely used in various industrial applications due to offering high heat transfer rate on impingement surface. The applications include tempering of glass, drying of paper, chemical vapour deposition, cooling turbine blade and electronic component. There are several methods for enhancing heat transfer rate on impingement surface such as the modification of orifice configuration [1], addition of mesh screens [2] and generation of pulsating jet [3]. Generally, an overall heat transfer rate on the impingement surface from applying these techniques as mentioned above is higher when compare to the case of conventional jet at some

28

particular conditions. When consider local heat transfer distribution on the surface, however, heat transfer peak was placed at stagnation point similarly to the case of conventional one. Occasionally, the uniformity of high heat transfer region on impingement surface for particular thermal applications is demanded; then, an annular impinging jet is applied.

Recently, an annular jet from a long straight pipe was applied on combustion flame jet [4]. It is rare for applying this technology on an impingement cooling jet. A few study of annular jet from long straight pipe is particularly concerned just for heat transfer characteristics under low jet-to-plate distance H≤2D [5], but flow characteristics and effect of higher jet-to-plate distance, H≥2D, isn’t reported. Then, flow characteristics of annular jet from pipe nozzle should be concerned.

The objective of this study is to investigate flow and heat transfer characteristics of an impinging jet from annular pipe. The jet-to-plate distance in the range of H=2D to 8D was examined. The comparison of results between conventional and annular pipe was based on the same of nozzle diameter and mass flow rate. The temperature distribution on the impingement surface was measured using an IR camera, and flow characteristics of impinging jet were simulated by using Computational Fluid Dynamic software. Experimental Setup and Method

Experimental Model and Parameters. The experimental model of impinging jet from conventional pipe and annular pipe is shown in Fig.1(a) and (b), respectively. Air with fully developed flow was discharged at nozzle outlet and perpendicularly impinged on a target surface. An origin of the Cartesian coordinates was located at center of nozzle on the impingement surface. The X- and Y-axes are normal to axial jet streamwise coordinate, and Z-axis is on the axial of jet. In order to compare both conventional jet and annular jet results, both nozzle diameters and mass flow rate were the same.

In order to generate an annular jet, the round rod of brass with 12.7 mm in diameter was inserted at center of pipe nozzle. The length of round rod is enough to maintain fully developed flow. Equivalent diameter of round pipe nozzle (DE) was 28.6 mm. The jet-to-plate was varied in the range of H=2DE, 4DE, 6DE and 8DE. The jet Reynolds number of conventional pipe was fixed at Re=20,000 based on velocity at center of jet, and mass flow rate of both jet from conventional and annular pipe was the same.

29

(a) Round jet (b) Annular jet (c) Layout of experimental setup

Fig.1 Model of impinging jet and schematic of experimental setup

Experimental Setup. The experimental setup layout is shown in Fig.1(c). Air is supplied by a blower through a calibrated orifice for measuring flow rate. The flow rate is controlled by adjusting rotating speed of blower with inverter. Jet air temperature is controlled by a temperature controller and a power controller at 27 ± 0.2% ๐C. The nozzle is a steel pipe with inner diameter of 17.2 mm and length to diameter ratio of 83. This pipe length ensures fully developed flow over the Reynolds number range investigated. The jet impingement surface was made of stainless steel foil with 240 mm × 240 mm and 0.03 mm in thickness. The stainless steel foil was tightly stretched between two copper bus bars on the plastic plate as shown in Fig.1(c). The rear side of jet impinged surface was painted with dark black color which having emissivity at 0.95.

Data Reduction. The air jet with constant temperature discharging from the pipe nozzle was impinged on the heated surface for cooling. The wall temperature on the impingement surface was measured by using the infrared camera and, the heat transfer coefficient and Nusselt number were subsequently calculated.

The local Nusselt number was calculated from:

D=28.6 mm

Impingement

plate

H

Round pipe

nozzle

X

Y

Zx

D=28.6 mm

Impingement

plate

Annular pipe

nozzle

X

Y

d=12.7 mm

Zx

Blower

Manometer

Orifice

Power

controllerThermocouple Temperature

controller

Mesh plate

Movable impingement

plate

SUS304 foil

Screw

Copper bus bar

Acrylic

Black

paint

H

IR

camera

Pipe Nozzle

D = Nozzle diameter

H = Jet-to-plate distance

D

Inverter

Heater

chamber

Power

supply

30

k

hDNu E

(1)

Where, DE is the equivalent outer diameter of the pipe nozzle and k is a thermal conductivity of the air jet. The heat transfer coefficient, h, can be calculated from

aww

lossedinput

TT

qqh

(2) where, is the heat transfer losses from free convection and radiation [6], Tw and Taw are the wall temperature without heat flux and the wall temperature with heat flux, respectively. The heat flux can be evaluated from

A

IVqinput

(3)

where, I is the electric current, V and A are the voltage and the area of the stainless steel foil.

Numerical Simulation

Flow characteristics of the impinging jet were visualized by using computational fluid dynamics software (ANSYS, ver.13.0). The numerical model was identical to the experimental model in its geometries, dimensions, and boundary conditions. Computations were conducted by solving Reynolds Averaged continuity and Navier-stokes equations with SST turbulence model. The non-uniform grid system was finely generated for regions near the impingement surface and pipe nozzle. Solutions were considered to be convergent when the normalized residual of all algebraic equations is less than the prescribed value of 1x10-4 [6].

Results and Discussions Local Nusselt number distributions on the impingement surface from experimental

result are shown in Fig. 2. Marked black circle at center of each figure indicates the layout of nozzle outlet. When compare Nusselt number distributions between conventional and annular jet at the same jet-to-plate distance, it was found that the areas of high Nusselt number (Nu>200) for the case of annular jet are larger than the

lossedq

31

case of conventional one except for H=8DE. Both Nusselt number distributions of conventional and annular jet for case of H=8DE are almost similar.

The distributions of local Nusselt number on impinged surface along centerline passing stagnation point for H=2DE, 4DE and 6DE are shown in Fig.3. Almost all of Nusselt number distributions for the case of annular jet are higher than the case of conventional one throughout impingement region and wall jet region for all jet-to-plate distances except for H=2DE. For case of H=2DE (Fig.3(a)), the Nusselt number at stagnation point and region r>2DE for the case of annular jet is lower than the case of conventional one. The lower Nusselt number at stagnation point for annular jet can be referred that the low velocity impinges at this point as shown in Fig.4(a), and the one at r≈>2DE is attributed lower turbulence intensity at this region (referring from higher turbulent intensity at this region affecting secondary heat transfer peak for conventional jet at H=2D [7]).

For the case of H=2DE as shown in Fig.3(a), Nusselt number peak of annular jet is significantly high at r≈0.8DE. This peak of Nusselt number corresponds to the peaks of Y-component velocity as shown in Fig.4(a). When jet-to-plate distance becomes higher, H=4DE and 6DE, as shown in Fig.3(b) and (c), the peak value of annular jet become lower. Especially for the case of H=6DE (Fig.3(c)), the peak values of both conventional and annular jet are comparable.

Fig. 2 Local Nusselt number distributions on impingement surface (Experimental

results, Re=20,000, Tj=27oC)

-1

-2

-3

2

1

0

3

Y/D

H = 2D H = 4D H = 6D H = 8D

An

nu

lar

jet

Co

nve

nti

on

nal

jet

1 2 3-2 -1 0-3

-1

-2

-3

2

1

0

3

X/D

Y/D

1 2 3-2 -1 0-3X/D

1 2 3-2 -1 0-3X/D

1 2 3-2 -1 0-3X/D

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

(e) (f) (g) (h)

32

Fig. 3 Distributions of local Nusselt number on the impinged surface passing the

centerline of impingement region (Experimental results, Re=20,000, Tj=27oC)

Fig. 4 (a): Distribution of Y-component velocity on centerline of impingement region above from the surface of 1 mm, and (b), (c): streamlines of jet on ZX plane passing center of nozzle (CFD results, Re=20,000).

The Y-component velocity as shown in Fig.4 (a) represents the velocity in the

direction normal to the impinged surface. The positive velocity of the downstream jet indicates that the jet impinges on the wall. The negative velocity occurred near r/DE=0 indicates that the jet flows away from the impingement wall. It can be illustrated that the circulation flows appear at nozzle center above the wall as shown particularly in Fig.2 (b).

(c) H = 6D

r/D-3 -2 -1 0 1 2 3

Nu

60

120

180

240 Conventional

Annular

(b) H = 4D

r/D-3 -2 -1 0 1 2 3

Nu

60

120

180

240(a) H = 2D

r/D-3 -2 -1 0 1 2 3

Nu

60

120

180

240

(a) H = 2D

r/D

-3 -2 -1 0 1 2 3

Y-c

om

ponent

velo

city (

m/s

)

-1.0

-.5

0.0

.5

1.0

1.5

2.0Conventional

Annular

X/D

2

0 1 2 3-3 -2 -1

1

0

Z/D

0 1 2 3-3 -2 -1

2

1

0

4

3

6

5

X/D

Z/D

Vel

oci

ty (

m/s

)

(c) H = 6D

(b) H = 2D

33

Streamlines on ZX plane at center of nozzle at H=2DE and 6DE are shown in Fig.4 (b) and (c). For the case of H=2DE (Fig.4 (b)) the jet was separated from effect of inserted cylindrical rod and impinged directly on the wall. It causes to appear Y-component velocity two places as shown in Fig.4 (a), consequently, affecting on the highest Nusselt number peaks as shown in Fig.3 (a). At H=6D as shown in Fig.4(c), the annular jet was combined before impingement. From this effect, the Nusselt number characteristics are similar to the case of conventional one.

Average Nusselt Number was calculated from averaging local temperature in considered region 0≤r≤1DE, 0≤r≤2DE and 0≤r≤3DE as shown in Fig.5. Almost of all average values were decreased when the averaged areas become larger. The average values of annular jet are higher than the case of conventional jet throughout jet-to-plate distances except at H=8DE. The average value for annular jet at H=2DE and 0≤r≤1DE is the highest. This is from the Nusselt number peaks as shown in Fig.4 (a). For case of average Nusselt number in region 0≤r≤3DE as shown in Fig.5(c), the average values are higher than conventional jet about 12.2%, 20%, 13.5% for case of H=2DE, 4DE and 6DE, respectively.

Fig. 5 Average Nusselt number (Experimental results, Re=20,000, Tj=27

oC)

Conclusions The main finding of this investigation is that the heat transfer on the surface with

annular impinging jet is higher than that the conventional jet throughout jet-to-plate distances except at large jet-to-plate distance H=8DE. Especially at H=2DE, the Nusselt number peak is significantly high at r≈0.8D because the high jet velocity impinges on the wall.

References [1] J. Lee, S.-J., Lee, The effect of nozzle aspect ratio on stagnation region heat transfer characteristics of elliptic impinging jet, Int. J. Heat and Mass Transfer, 43 (2000) 555-575.

34

[2] D. W. Zhou, S.-J. Lee, Heat transfer enhancement of impinging jets using mesh screens, Int. J. Heat and Mass Transfer, 47 (2004) 2097-2108. [3] E.C. Mladin, D.A. Zumbrunnen, Local convective heat transfer to submerged pulsating jets, Int. J. Heat Mass Transfer, 46 (1997) 3305-3321. [4] H.S. Zhen, C.W. Leung, C.S. Cheung, Heat transfer characteristics of an impinging premixed annular flame jet, Applied Thermal Engineering, 36 (2012) 386-392. [5] K. Ichimiya, Heat Transfer characteristics of an annular turbulent impinging jet with a confined wall measured by thermosensitive liquid crystal, Heat Mass Transfer, 39 (2003) 545-511. [6] N. Zuckerman, N. Lior, Jet Impingement Heat Transfer: Physics, Correlations, Numerical Modeling, Advances Heat Transfer, 39 (2006) 565-631. [7] S. Ashforth-Frost, K. Jambunathan, C.F. Whitney, Velocity and Turbulence Characteristics of a Semiconfined Orthogonally Impinging Slot Jet. Exp. Thermal Fluid Sci., 14 (1997) 60-67.

30

ภาคผนวก ข. บทความส าหรบเผยแพร 2

31

ลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลตกกระทบในแนวรศม FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF RADIAL IMPINGING JET

(ก) วชระ มสกะ

มกตาร แวหะย ชยต นนทดสต ภาสกร เวสสะโกศล ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร ต.คอหงส อ.หาดใหญ จ.สงขลา 90112 โทรศพท 074-287-035 โทรสาร 074-212-893 E-mail: chayut@me.psu.ac.th

(ข) บทคดยอ งานวจยนมจดประสงคเพอศกษาลกษณะการไหลและการถายความรอนของเจท

พงชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม ในการทดลองก าหนดใหทอเจททมขนาดเสนผานศนยกลางภายใน D=28.6 mm และตดตงเพลาทมขนาดเสนผานศนยกลาง d=12.7 mm ตามแนวศนยกลางทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบาน =30o, 60 o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท นอกจากนไดปรบระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนเทากบ H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในการเปรยบเทยบผลการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทเทากนทกกรณโดยเทยบจากเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอวงแหวนท Re=20,000 ในการวดการถายเทความรอนบนพนผวไดใชกลองถายภาพความรอนวดอณหภมบนพนผวทเจทพงชน และศกษาลกษณะการไหลของเจทโดยใชวธการค านวณพลศาสตรของไหล (ANSYS ver.13 ,Fluent) จากการศกษาพบวา ทระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชน H=2Dh บรเวณทมอตราการถายเทความรอนสงของเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =90o มขนาดกวางกวากรณอนๆ ค าส าคญ : เจทพงชน, เจทวงแหวน, เจททไหลในแนวรศม , การถายเทความรอน, การจ าลองการไหล

(ค) (ง) Abstract The aim of this research is to study flow and heat transfer characteristics of

impinging jet from annular pipe and radial pipe. In the experiment, the inner diameter of nozzle pipe was D=28.6 mm, and a rod having diameter of d=12.7 mm was inserted into the centre of nozzle pipe. For generating a radial jet, a solid cone with divergent angle of =30o, 60o and 90o was mounted at center of jet outlet. In addition, a jet-to-plate distance at H=2Dh, 4Dh, 6Dh and 8Dh was varied where Dh is hydraulic diameter (Dh=D-d). For the comparison of results, the flow rate of jet for every cases was the same by respecting Reynolds number of annular jet at Re=20,000. The heat transfer pattern on the impingement surface was measured by using used infrared camera to capture temperature distributions on the surface, and the flow characteristics of jet were investigated by using Computational Fluid Dynamics (ANSYS ver.13, Fluent). The results showed that at the jet-to-plate distance H=2Dh, the area of high heat transfer of radial jet with =90o was the largest. Keywords : Impinging jet, Annular jet, Radial jet, Heat transfer, Flow simulation

32

1. บทน ำ

เจทพงชน (Impinging jet) ถกน ามาใชในอปกรณดานการถายเทความรอนในภาค อตสาหกรรมอย างกว างขวางโดย เฉพาะ อตสาหกรรมการผลตไฟฟาทใชเครองยนตกาซเทอรไบน การผลตแกว โลหะ สงทอ เนองจากเจทพงชนเปนวธทใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวทสง โดยเฉพาะบรเวณทเจทพงชนโดยตรง อกทงยงใหอตราสวนระหวางปรมาณการถายเทความรอนและปรมาณการไหลของของไหลทสง จงสามารถใชพลงงานไดอยางมประสทธภาพเมอเทยบกบวธอนๆ

ลกษณะและอตราการถายเทความรอนบนพนผวดวยวธการใชเจทพงชนจะขนอยกบลกษณะการไหลของเจทบนพนผว เนองจากการไหลของเจทบนพนผวมความซบซอนมากกวาการไหลของของไหลบนพนผวทวไป จงจ าเปนทตองศกษาการไหลของเจทหลายๆวธ เพอใหเขาใจถงตวแปรทมผลตอลกษณะการไหลของเจทบนพนผว โดยทวไปแลวตวแปรหลกทมผลตอลกษณะการไหลของเจทบนพนผวมอยสองประการคอ ระยะระหวางปากทางออกของเจทถงระนาบทเจทพงชนและรปทรงของหวฉด เมอรลกษณะการไหลของเจทสามารถเปนขอมลพนฐานในการอธบายลกษณะการถายเทความรอนบนพนผวกจะน าไปสการออกแบบระบบการถายเทความรอนโดยใชเจทพงชนเพอใหไดอตราการถายเทความรอนทเหมาะสมทสด

ในอดตไดมการศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทอยางกวางขวาง เชน งานวจยของ Poreh และคณะ [1] ไดศกษาเกยวกบระดบของความความแปรปรวนและความเคนเฉอนทเกดขนบนผนง จากการศกษาพบวาบรเวณของเจทผนง (Wall jet) ความเรวของการไหลจะลดลงและความหนาของชนขอบเขตบนผนงจะเพมขน โดยจะแปรผนตรงตามระยะหางจากจดกงกลางทเจทพงชน โดยทวไปแลวชนขอบเขตจ ากดจะเปนตวตานทานการถายเทความรอนระหวางของไหลกบพนผว ท าใหการถายเทความรอนของเจทบนผนงลดลง Popiel และ Boguslawski [2] ไดเปรยบเทยบการถายเทความรอนจากหวฉดแบบ Orifice และแบบ Bell-shape โดยก าหนดคาเรยโนลดของเจททเทากน จากผลการศกษาพบวา หวฉดแบบ Orifice จะมความเรวในแนวศนยกลางสงกวาหวฉดแบบ Bell–shape สงผลใหอตราการถายเทความรอนของเจทจาก Orifice มคาสงกวาแบบ Bell–shape นอกจากน Baughn และ Shimizu [3] ไดศกษาเกยวกบการถายเทความรอนของเจทพงชนพนผว โดยใชหวฉดทเปนลกษณะทอยาว ไดศกษาผลของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน จากการทไดศกษาพบวา ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=6D (D คอเสนผานศนยกลางทอเจท) ใหนสเซลตนมเบอรบรเวณศนยกลางทเจทพงชนสงสด นอกจากนยงพบวาทระยะ H≤2D เกดบรเวณทมการถายเทความรอนสงสดอนดบสอง (Secondary peak) เกดขน

ปญหาของการถายเทความรอนบนพนผวดวยเจทพงชนคอ อตราการถายเทความรอนมคาสงบรเวณศนยกลางทเจทพงชนและลดลงตามแนวรศม ในอดตนกวจยไดพยายามควบคมการไหลของเจทเพอใหบรเวณทมอตราการถายเทความรอนสงขยายเพมขน Huang และ El-Genk [4] ไดออกแบบอปกรณสรางกระแสเจทหมนควงส าหรบ

สอดในทอเจท ในการทดลองมมบดทใชสรางเจทหมนควงจะอยในชวง 15o, 30o และ 45o จากผลการทดลองพบวา การใชเจทหมนควงสามารถเพมคาการถายเทความรอนบนผนงไดคอนขางมาก และชวยเพมความสม าเสมอของการถายเทความรอนไดเมอเทยบกบเจทจากทอ นอกจากน Alekseenko และคณะ [5] ไดท าศกษาลกษณะการไหลของเจทพงชนทมการตดตงตวสรางกระแสหมนควงทปากทางออกเจททมลกษณะเปนใบบงคบทศทางทสามารถปรบคา Swirl number ได ผลการทดลองพบวา อตราการหมนควงของเจททเพมขนสงผลท าใหอตราการแพรกระจายของเจทเพมขน อยางไรกตามในการทดลองไมไดมงเนนไปทอตราการถายเทความรอนบนแผนระนาบทเจทพงชน แตจะศกษาเฉพาะลกษณะการกระจายความเรวของเจท

ในงานวจยนมจดประสงคเพอเพมบรเวณทมการถายเทความรอนสงบนพนผวทเจทพงชนจากทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม โดยศกษาผลของมมทเจทไหลออกจากทอและระยะจากปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนทมผลตอการเพมการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชน 2 โมเดลและตวแปรทใชในกำรทดลอง

รปท 1 แสดงโมเดลของเจทพงชนจากทอแบบวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม จากรปเจทไหลออกจากทอพงชนตงฉากกบพนผว ระบบพกดฉากเรมตนบนผนงทเจทพงชนและอยตรงกงกลางทอเจท โดยก าหนดใหแกน Z อยในแนวเดยวกบการไหลของเจท และแกน X, Y อยในทศทางตงฉากกบแกน Z ตามทไดแสดงในรปท 1

รปท 1 โมเดลของเจทพงชนแบบทอวงแหวน (ซาย) และแบบทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม (ขวา)

ทอเจทวงแหวนสรางโดยสอดเพลาสแตนเลสตนขนาดเสนผาน

ศนยกลาง d=12.7 mm ไวตรงกลางทอเจททมขนาด D=28.6 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ซาย) โดยทอเจทและเพลามความยาวเพยงพอทจะท าใหเกดการไหลแบบพฒนาตวกอนทอากาศจะไหลออกจากปากทางออกทอเจท ในการสรางเจททไหลในแนวรศม ไดท าการตดตงแทงทรงกรวยทมมมบาน =30o, 60 o และ 90o ทศนยกลางปากทางออกทอเจท โดยยดตดกบเพลาทอยตรงกลางทอเจท และก าหนดใหระยะจากปากทางออกทอเจทถงฐานของทรงกรวยมความสงคงทเทากบ 15 mm ตามทไดแสดงในรปท 1 (ขวา) ส าหรบระยะจาก

Impingement plateImpingement plate

15 mm

z

x

D = 28.6 mm

d = 12.7 mmd = 12.7 mm

Impingement plateImpingement plate

Hz

x

D = 28.6 mm

d = 12.7 mmd = 12.7 mm

H

Rod

Pipe

33

ปากทางออกเจทถงผนงทเจทพงชนไดปรบใหอยในชวง H=2Dh, 4Dh, 6Dh และ 8Dh โดยท Dh คอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลก (Dh=D-d) ในทกการทดลองก าหนดใหอตราการไหลของเจทคงท โดยเทยบจากคาเรยโนลดนมเบอรของเจทจากทอวงแหวนท /VDRe H = 20,000 โดยท V คอ ความเรวทต าแหนงศนยกลางทอเจทวงแหวน 3. ชดกำรทดลองและวธกำรทดลอง

3.1 ชดทดลอง

รปท 2 แสดงรายละเอยดของชดทดลอง อากาศภายในชดทดลองจะถกดดโดยใชโบรเวอรและไหลผานออรรฟสเพอวดอตราการไหล การควบคมอตราการไหลของอากาศท าไดโดยการปรบความเรวรอบของมอเตอรทหมนใบพดดวยอนเวอเตอร หลงจากนนอากาศจะไหลผานชดทอขดความรอนตดตงอยภายในเพอควบคมอณหภมของเจทอากาศใหคงททอณหภม 27oC + 0.2 oC กอนทจะเขาหองกกอากาศและผานไปยงทอเจททมความยาว 575 mm ชดทดลองนถกออกแบบใหสามารถปรบระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน

รปท 2 ไดอะแกรมของชดทดลอง

3.2 การวดการถายเทความรอนบนพนผว วธการวดคาสมประสทธการพาความรอนบนพนผวไดใช

แผนสเตนเลสบางทมความหนา 0.03 mm โดยแผนสเตนเลสนถกขงใหเรยบตงกบแผนพลาสตกหนา 15 mm ทเจาะหนาตางขนาด 240 mm x 240 mm ไวกลางแผน โดยใชแทงทองแดงยดแผนสเตนเลสไวทงสองขาง และแทงทองแดงทงสองนจะตอเขากบขวของตวจายกระแสไฟฟา เมอจายไฟฟากระแสตรงไหลผานแทงทองแดงไปยงแผนสเตนเลส จะเกดความรอนกระจายทวพนผวแผนสเตนเลส จากนนใชเจทพงชนพนผวท าการระบายความรอน เมอระบบเขาสสภาวะคงตว จงท าการบนทกคาการกระจายอณหภมบนพนผ วแผนสเตนเลสดานตรงขามทเจทพงชนโดยใชกลองตรวจจบความรอน (IR Camera)

ส าหรบอตราการเกดความรอนในแผนสเตนเลสสามารถค านวณไดจากความสมพนธดงน

A

IVqinput (1)

ในทน I คอกระแส ไฟฟาท จ าย ใหกบแผนส เตน เลส V คอแรงดนไฟฟาทตกครอมแผนสเตนเลส และ A คอ พนทของพนผวถายเทความรอน (แผนสเตนเลส)

จากนนสามารถค านวณคาสมประสทธการพาความรอนเฉพาะจด(h) บนพนผวไดจากสมการ

aww

natradinput

TT

qqqh

(2)

ในทน 44

swrad TTq และ swcnat TThq คอ ฟลกซการสญเสยความรอนทเกดจากการแผร งสและการพาความรอนแบบธรรมชาตบนผนงดานหลงของแผนสเตนเลส Taw คออณหภมของแผนสเตนเลสเมอเจทพงชนในขณะทไมมฟลกซความรอน, Tw คออณหภมของแผนสเตนเลสทมฟลกซความรอน , Ts คออณหภมบรรยากาศโดยรอบ และ hc การพาความรอนแบบธรรมชาตดานตรงขามทเจทพงชน

คานสเซลตนมเบอรบนพนผวค านวณไดจากความสมพนธ

k

hDNu h (3)

โดยท h คอสมประสทธการพาความรอนของอากาศ และ k คอสมประสทธการน าความรอนของอากาศ

3.3 การจ าลองการไหลดวยวธทางพลศาสตรของไหล ในงานวจยนใชโปรแกรม ANSYS Ver.13, Fluent ในการจ าลอง

การไหล 3 มต แบบคงตว โดยทโมเดลทใชในการค านวณรวมทงเงอนไขขอบเขตไดถกจ าลองใหเหมอนกบการทดลอง กรดถกสรางใหละเอยดบรเวณปากทางออกเจทและผนงทเจทพงชน ในการจ าลองการไหลแบบป นปวนเลอกใชโมเดล Shear stress transport (SST) k-

Blower

Manometer

Orifice

Power

controllerThermocouple Temperature

controller

Mesh plate

Movable impingement

plate

H

IR

camera

Pipe Nozzle

D = Nozzle diameter

H = Jet-to-plate distance

D

Inverter

Heater

chamber

Power

supply

Copper

bus bar

SUS304

foil

Screw

Acrylic

Black

paint

34

omega และใช SIMPLE อลกอรทมในการแกสมการความตอเนองและสมการ Reynolods-Averaged Navier-Stoke เพอหาสนามความเรวและความดน และเลอกใช Spatial discretization แบบ Second order-upwind ส าหรบคาความผดพลาดของค าตอบไดก าหนดไวท 1x10-5 4. ผลการทดลอง

รปท 3 แสดงการกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน กรณของทอวงแหวนทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 3(a)) พบวา การกระจายของนสเซลตนมเบอรมคาต าทต าแหนงกงกลางทอเจท ซงเปนผลมาจากการสอดเพลาภายใน

ทอเจท เจทยงไมเกดการรวมตวกอนไหลพงชนพนผว บรเวณทมการถายเทความรอนสงเปนรปวงแหวนตามลกษณะของหนาตดทอเจท เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขนเปน H=4Dh

(รปท 3(e)) บรเวณทมอตราการถายเทความรอนต าทต าแหนงกงกลางทอเจทมขนาดเลกลง เนองจากเจทเกดการรวมตวมากขนกอนพงชนพนผว ส าหรบบรเวณทมอตราการถายเทความรอนทอยในชวง 90≤Nu≤110 ขยายบรเวณกวางขนแสดงถงเจทมการขยายตวกอนพงชนพนผว ส าหรบทระยะ H≥6Dh (รปท 3(i) และ(m)) บรเวณทอตราการถายเทความรอนสง (Nu≥80) มขนาดแคบลง

รปท 3 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC) ส าหรบเจททไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถง

พนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 3(b), (c) และ (d)) ลกษณะการกระจายของนสเซลตนมเบอรคลายกบกรณเจทจากทอวงแหวน เมอมม เพมขน บรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาสง (Nu≥110) ขยายบรเวณกวางขน นอกจากนยงพบวาบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาต า (Nu≤90) ทอยต าแหนงตรงกลางทอเจทขยายบรเวณกวางขน เมอมม เพมขน ซงเกดจากการตกกระทบของเจทหางออกจากศนยกลางทอเจทมากขนเมอมม เพมขน (ตามทไดแสดงลกษณะการไหลของเจทในรปท 7 (b), (c) และ (d)) เมอระยะ H≥4Dh บรเวณทอตราการถายเทความรอนสง (Nu≥90) มขนาดแคบลงกวากรณเจทจากทอวงแหวน

ส าหรบเจททไหลในแนวรศมกรณทเง อนไข =60o และ H=4Dh

ตามทไดแสดงในรปท 3(g) พบวา ลกษณะบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาสง (Nu≥90) ไมเปนวงกลม เกดบรเวณทนสเซลตนมเบอรมคาต า

เปนแนวยาวทต าแหนง X/Dh=0 ซงเกดจากอากาศทอยภายใตทรงกรวยไหลออกจากบรเวณทเจทพงชน นอกจากนยงพบวา ลกษณะการกระจายของนสเซลตนมเบอรมการเปลยนแปลงตามเวลาตามทไดแสดงในรปท 4

รปท 5 แสดงการกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (Y/D=0) กรณทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 5(a)) พบวา นสเซลตนมเบอรสงสด (Peak) สงกวากรณทเง อนไขระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนอนๆ ส าหรบเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =45o และ 60o นสเซลตนมเบอรสงสดมคาสงกวากรณเจทจากทอวงแหวน เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D (รปท 5(b)-(d)) พบวานสเซลตนมเบอรสงสดของเจทวงแหวนมคาสงกวาเจททไหลในแนวรศม

-4 0 2 4-2X//Dh

-6 6-4 0 2 4-2X//Dh

-6 6-4 0 2 4-2X//Dh

-6 6

0

-2

-4

2

4

Y//

Dh

-6

6

-4 0 2 4-2X/d

0

-2

-4

2

4

Y//

Dh

-6

6

X/d

0

-2

-4

2

4

Y//

Dh

-6

6

-4 0 2 4-2X//Dh

0

-2

-4

2

4

Y//

Dh

-6 6-6

6

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

Nu

H=

2D

hH

=4

Dh

H=

6D

hH

=8

Dh

Radial jet θ=60oRadial jet θ=30oAnnular jet Radial jet θ=90o

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

(e) (f) (g) (h)

(i) (j) (k) (l)

(m) (n) (o) (p)

35

รปท 4 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนกรณเจททไหลในแนวรศมทมม =60o และระยะ H=4Dh

รปท 6 แสดงนสเซลนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชนทคดคาเฉลยในชวงบรเวณ 0≤r/Dh≤1, 0≤r/Dh≤2, 0≤r/Dh≤3 และ 0≤r/Dh≤4 จากรปแนวโนมของนสเซลตนมเบอรเฉลยลดลงตามการเพมขนของระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน (H) เมอพจารณาบรเวณ 0≤r/Dh≤1 และ 0≤r/Dh≤2 ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 6(a) และ (b)) นสเซลนมเบอรเฉลยของเจทจากทอวงแหวนมคาสงกวาเจททไหลในแนวรศม เนองจากนสเซลตนมเบอรบรเวณศนยกลางทอเจทกรณเจททไหลในแนวรศมมคาต า ซงเกดจากผลของการตดทรงกรวยทปากทางออกเจท เมอพจารณาบรเวณ 0≤r/Dh≤4 ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H=2Dh (รปท 6(d)) พบวานสเซลนมเบอรเฉลยของเจททไหลในแนวรศมทกกรณมคาสงกวาเจทจากทอวงแหวน

รปท 5 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนทต าแหนงศนยกลางทอเจท (Y/Dh=0, Re=20,000, Tj=27oC)

รปท 6 นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทเจทพงชน (Re=20,000, Tj=27oC)

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6

6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

-6 6

-6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6

6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6 6

-6

6-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6

-6

6

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/d

-6 6

-6

6-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Z/D

h

-6-6

6

X/Dh X/Dh

X/Dh

-4 0 2 4-2

X/Dh

0

-2

-4

2

4

Z/D

h

-6 6-6

6

X/Dh

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

NuT1 T2 T3 T4

T8T7T6T5

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(b) H = 4D

h

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200Radial jet =45

o

Radial jet =60o

Radial jet =75o

Annular jet

(d) H = 8Dh

r/Dh

-6 -4 -2 0 2 4 6

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(a) H = 2D

h

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(c) H = 6D

h

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140(b) 0<r<2Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140Radial jet =90

o

Radial jet =60o

Radial jet =30o

Annular jet

(d) 0<r<4Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140(a) 0<r<1Dh

H/Dh

2 4 6 8

Nu

20

40

60

80

100

120

140(c) 0<r<3Dh

36

รปท 7 แสดงลกษณะการไหลของเจททไดจากผลการจ าลองลกษณะการไหล กรณเจทจากทอวงแหวนทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 7(a)) เจทไหลออกจากทอวงแหวนพงชนพนผวทนท จดทเจทไหลตกกระทบท X/Dh ±1.5 ซงสอดคลองกบต าแหนงทนสเซลตนมเบอรมคาสงสดตามทไดแสดงในรปท 5(a) เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D (รปท 7(e), (i) และ (m)) พบวาเจทไหลรวมตวกอนทจะพงชนพนผว ซงเปนสาเหตทท าใหนสเซลตนมเบอรบรเวณทต าแหนงศนยกลางทอมคาเพมขนเมอเทยบกบทระยะ H=2Dh

กรณเจททไหลในแนวรศมทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh (รปท 7(b), (c) และ (d)) เจทเกดการแยกตว

และไหลตกกระทบพนผวหางออกจากจดศนยกลางทอเจทมากขนเมอมม เพมขน ซงสอดคลองกบต าแหนงทนสเซลตนมเบอรมคาสงสดตามทไดแสดงในรปท 5(a) เมอระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนสงขน H≥4D เจทไหลแยกตวออกจากกนและมสวนทไหลกระทบพนผวนอย ท าใหการถายเทความรอนลดลง

กรณเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =30o พบวามลกษณะการไหลคลายกบกรณเจทจากทอวงแหวน ซงสอดคลองกบการถายเทความรอนบนพนผวกรณเจททไหลออกจากทอวงแหวน (รปท 3(a), (e), (i) และ (m)) มลกษณะคลายกบกรณเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =30o (รปท 3(b), (f), (j) และ (n))

รปท 7 แสดงลกษณะการไหลของเจทพงชนจากผลการล าลองลกษณะการไหล (Re=20,000, Tj=27oC)

21

0

X/Dh

Z/D

h

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

0 1 2 3 4-4-3 -2 -1X/Dh

Y/D

hY

/Dh

Y/D

h

Z/D

h

43

21

0Z

/Dh

65

43

21

0

Annular jet Radial jet θ=30o Radial jet θ=60o Radial jet θ=90o

H=

8D

hH

=6

Dh

H=

4D

hH

=2

Dh

(a)

Velocity (m/s)

18.0

16.4

14.8

13.2

11.6

10.0

8.4

6.8

3.6

2.0

5.2

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

Z/D

h

87

65

43

21

0

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1X/Dh

(b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)

(i) (j) (k) (l)

(m) (n) (o) (p)

The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand

5. สรปผลการทดลอง งานวจยนไดศกษาลกษณะการไหลและถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนจากทอวงแหวนและทอทก าหนดใหเจทไหลในแนวรศม จากผล

การศกษาสรปไดวา (1) ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต า H=2Dh บรเวณทมการถายเทความรอนสงมลกษณะเปนรปวงแหวน เนองจากเจทไหลพง

ชนพนผวทนท (ยงไมมการรวมตว) ส าหรบกรณเจททไหลในแนวรศมทเง อนไข =90o พบวาบรเวณทมการถายเทความรอนสงมขนาดกวางกวาทเง อนไขอนๆ

(2) ทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชน H≥4D แนวโนมการถายเทความรอนบนพนผวลดลงเมอเทยบกบกรณ H=2Dh บรเวณทมการถายเทความรอนสงเกดขนทต าแหนงศนยกลางทอเจท เนองจากเจทมการรวมตวกอนพงชนพนผว ยกเวนกรณเจททไหลในแนวรศมท เง อนไข =90o พบวาเจทไมมการไหลรวมตวกอนพงชนพนผว ท าใหการถายเทความรอนบรเวณศนยกลางทอเจทมคาต าสด เอกสารอางอง [1] Poreh, M., Tsuei, G. and Cermak, E. J., 1967, Investigation of a Turbulent Radial Wall Jet,. Journal of Applied Mechanics, Vol. 34, pp. 457-463. [2] Popipel, O. Cz. and Boguslawski, L., 1986 Mass or Heat transfer in impinging single,round jets emitted by a bell-shaped nozzle and sharp-ended orifice,. Proceeding: International Heat Transfer Conference 8. [3] Baughn, J.W. and Shimizu, S., 1989, Heat transfer measurements from a surface with uniform heat flux and an impinging jet, Journal of Heat Transfer, Vol. 111, pp. 1096-1098. [4] Huang, L. and El-Genk, M. S. 1998, Heat transfer and flow visualization experiments of swirling,multi-channel, and conventional impinging jets. International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.41, pp. 583-600. [5] Alekseenko, V. S., Bilsky, V. A., Dulin, M. V. and Markovich, M. D. 2007, Experimental study of an impinging jet with dif ferent swirl rates. International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 28, pp. 1340-1359.

The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand

ภาคผนวก ค. บทความส าหรบเผยแพร 3

INVESTIGATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF RADIAL IMPINGING JET

W. Musika

1, M. Wae-hayee

1, P. Vessakosol

1 and

C. Nuntadusit*1

1 Energy Technology Research Center and Department of Mechanical Engineering,

Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Hatyai, Songkhla 90112, Thailand

The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand

*chayut@me.psu.ac.th

(a) ABSTRACT

In this study, flow and heat transfer

characteristics of radial impinging jet were investigated.

The effect of jet outlet geometry and nozzle-to-impinged

surface distance were studied. The experiment was

conducted an annular and radial pipe nozzle with inner

diameter and outer diameter at d=12.7 mm, D=28.6 mm.

The jet-to-plate distance at H = 2Dh, 4 Dh, 6 Dh and 8 Dh (Dh

is hydraulic diameter of radial jet nozzle) and outlet angle of

radial jet at ϴ=45o, 60

o and 75

o were examined. To

compare the results, jet mass flow rate was fixed at jet

Reynolds number of 20,000. The heat transfer

characteristics were measured by using infrared camera.

The numerical simulation was employed to predict flow

field using commercial software (ANSYS ver. 13.0,

Fluent). It is found that the heat transfer rate on target

surface of radial jet at low jet-to-plate distance is higher

than the case of annular.

INTRODUCTION

Jet impingement is widely used in various industrial

applications due to offering high heat transfer rate on

impingement surface. The applications include tempering

of glass, drying of paper, chemical vapour deposition,

cooling turbine blade and electronic component. There are

several methods for enhancing heat transfer rate on

impingement surface such as the modification of orifice

configuration [1], addition of mesh screens [2] and

generation of pulsating jet [3]. Generally, an overall heat

transfer rate on the impingement surface from applying

these techniques as mentioned above is higher when

compare to the case of conventional jet at some particular

conditions. When consider local heat transfer distribution

on the surface, however, heat transfer peak was placed at

stagnation point similarly to the case of conventional one.

Occasionally, the uniformity of high heat transfer region

on impingement surface for particular thermal

applications is demanded; then, an annular impinging jet

is applied.

Recently, an annular jet from a long straight pipe was

applied on combustion flame jet [4]. It is rare for applying

this technology on an impingement cooling jet. A few

study of annular jet from long straight pipe is particularly

concerned just for heat transfer characteristics under low

jet-to-plate distance H≤2D [5], but flow characteristics

and effect of higher jet-to-plate distance, H≥2D, isn’t

reported. Then, flow characteristics of annular jet from

pipe nozzle should be concerned.

The objective of this study is to investigate flow and

heat transfer characteristics of an impinging jet from

radial jet. The jet-to-plate distance and angle of outlet of

radial jet were examined. The comparison of results

between radial jet and annular jet was based on the same

of nozzle diameter and mass flow rate. The temperature

distribution on the impingement surface was measured

using an IR camera, and flow characteristics of impinging

jet were simulated by using Computational Fluid Dynamic

software.

EXPERIMENTAL APPARATUS AND PROCEDURE

The experimental model displaying the jet from

annular nozzle and radial nozzle is shown in Figure 1.(a)

and (b), respectively. Air with fully developed flow was

discharged at nozzle outlet and perpendicularly impinged on

a target surface. An origin of the Cartesian coordinates was

located at center of nozzle on the impingement surface.

The X- and Y-axes are normal to axial jet streamwise

coordinate, and Z-axis is on the axial of jet. For all nozzles

have the same area of jet outlet and fixed the jet Reynolds

number at 20,000 for comparison.

(a) Annular nozzle (b) radial nozzle

Figure 1. Experimental model of imping jet

In order to generate an annular jet, the round rod of

stainless steel with 12.7 mm in diameter was inserted at

center of pipe nozzle. The length of round rod is enough

to maintain fully developed flow. Hydraulic diameter of

round pipe nozzle (Dh) was 28.6 mm. The jet-to-plate was

varied in the range of H=2Dh, 4 Dh, 6 Dh and 8 Dh. The

angle of radial nozzle outlet was varied ϴ=45o, 60

o and

75o. The mass flow rate of jet for all cases was fixed at jet

Reynolds number of annular pipe of 20,000 based on

velocity at center of jet.

Experimental Setup. A schematic of the experimental apparatus is shown in

Figure 2. Air is supplied by a blower through a calibrated

orifice for measuring flow rate. The flow rate is controlled

by adjusting rotating speed of blower with inverter. Jet air

temperature is controlled by a temperature controller and a

power controller at 27 ± 0.2% ๐C. The nozzle is a steel

pipe with inner diameter of 28.6 mm and length to

diameter ratio of 83. This pipe length ensures fully

developed flow over the Reynolds number range

investigated. The jet impingement surface was made of

Impingingment plateImpingingment plate

Hz

x

Impingingment plateImpingingment plate

15 mm

z

x

D = 28.6 mm

d = 12.7 mmd = 12.7 mm

The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand

stainless steel foil with 240 mm × 240 mm and 0.03 mm

in thickness. The stainless steel foil was tightly stretched

between two copper bus bars on the plastic plate as shown

in Figure 2. The rear side of jet impinged surface was

painted with dark black color which having emissivity at

0.95.

Figure 2. schematic of experimental set up

Heat transfer measurement

The air jet with constant temperature discharging from

the pipe nozzle was impinged on the heated surface for

cooling. The wall temperature on the impingement surface

was measured by using the infrared camera and, the heat

transfer coefficient and Nusselt number were subsequently

calculated.

The local Nusselt number was calculated from:

k

hDNu h

(1)

Where, Dh is the hydrolic diameter of the pipe nozzle and

k is a thermal conductivity of the air jet. The heat transfer

coefficient, h, can be calculated from

wjwh

natradinput

TT

qqqh

(2)

where 44

swhrad TTq and swhcnat TThq are the

heat loss transferred to the environment by radiation and

convection, respectively. The whT and

wjT are Temperature

of the stainless plate with have heat flux and not have heat

flux, the is a Stefan-Boltzman constant, the is a

emissive coefficient of coefficient of captured side; Ts is

the surrounding temperature; and hc is the natural heat

transfer coefficient calculated from natural convective

heat transfer from the heat transfer surface to the

surrounding.

The heat flux can be evaluated from

A

IVqinput

(3)

where, I is the electric current, V and A are the voltage

and the area of the stainless steel foil.

Numerical simulation

(a) layout of Numerical model

(b) 3-D Numerical model

Figure 3. Numerical model Flow characteristics of the impinging jet were

visualized by using computational fluid dynamics

software (ANSYS, ver.13.0). The numerical model was

identical to the experimental model in its geometries,

dimensions, and boundary conditions as shown in Figure

3. Computations were conducted by solving Reynolds

Averaged continuity and Navier-stokes equations with

SST turbulence model. The non-uniform grid system was

finely generated for regions near the impingement surface

and pipe nozzle as shown in Figure 4. Solutions were

considered to be convergent when the normalized residual

of all algebraic equations is less than the prescribed value

of 1x10-5

[6].

Velocity inlet

Pressure outlet

Wall

Wall

Velocity inlet

Pressure outlet

Impingement surface wall

Rod

Pipe

Blower

Manometer

Orific

e

E-3

SCRThermocoupleTemperature

controller

Mesh platePower supply

Movable impingement plate

SUS304 foil

Screw

Copper bus bar

Acrylic

Black

paint

H

IR

camera

Nozzle

D = Nozzle diameter

H = Jet-to-plate distance

D

Inverter E-4

Heater chamber

The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand

Figure 4. Generated grids

(b)

(c) RESULTS AND DISCUSSIONS

Flow characteristics The velocity contours from numerical simulation are

shown in Figure 5. The results between the case of annular

pipe (left side) and radial pipe with ϴ=45o (right side) are

compared.

For the case of annular pipe at low jet-to-plate

distance, H=2Dh, as shown in Figure 5(e), the jet after

discharging from pipe impinges immediately on target

surface. The velocity contours are very low at the center

of pipe due to effect of inserted rod. At higher jet-to-plate

distance, H=4Dh as shown in Figure 5(c), the annular jet

combine at the jet core before impingement. Especially at

H=6Dh as shown in Figure 5.(a), the jet flow completely

combine at the jet core before impingement.

For the case of radial pipe at low jet-to-plate, H=2Dh,

as shown in Figure 5.(f), the radial jet impinges obliquely

on target surface. The low area of velocity contours at the

center of pipe is lager that the case of annular jet at the

same jet-to-plate distance. When jet-to-plate distance

becomes lager, H=4Dh and 6Dh, as shown in Fig.5(d) and

(b), the impingement of jet on target surface becomes

weaker.

Figure 5. Velocity Contour of jet Plane at center of nozzle,

Y/Dh=0 (CFD result, Re=20,000)

Nusselt number distributions

Local Nusselt number distributions on the

impingement surface from experimental result are shown

in Figure 4. Marked black circle at center of each figure

indicates the layout of nozzle outlet. For the case of

annular impinging jet at lower jet-to-plate distance,

H=2Dh and 4d, as shown in Figure 4.(a) and (b), the

Nusselt number distributions are low at the center of pipe

due to effect of rod. However, at higher jet-to-plate

distance, H=6d and 8d, the Nusselt number distributions at

the center of pipe become higher because annular jet at the

jet core combine before impingement as earlier

discussion.

For the case of radial jet at H=2Dh, the areas of low

Nusselt number distributions are larger than the case of

annular one. The low area of Nusselt number distributions

is smaller when angle outlet is larger. This can be

explained that the stagnation region of jet with small

outlet angle (ϴ=45o) is more fare from center of pipe.

However, it can be enhance heat transfer on target surface

by getting larger area of high Nusselt number (Nu>130).

The area of high Nusselt number of radial jet becomes

smaller when outlet angle is lager.

At H≥4Dh, the Nusselt number distributions of radial

jet seem to be lower comparing to the case of annular jet

at the same jet-to-plate distance. This is due to radial jet

impinge weakly on target surface at higher jet-to-plate

distance, H≥4Dh as previously discussed in flow

characteristics.

Figure 6. Local Nusselt number distributions on

impingement surface (Experimental results, Re=20,000,

Tj=27oC)

The distributions of local Nusselt number on

impinged surface along centerline passing stagnation point

for H=2Dh, 4Dh,6 Dh and 8Dh are shown in Fig.7. At low

jet-to-plate distance, H=2Dh as shown in Figure 7.(a), the

peak of Nusselt number for the all cases of radial jet is

Velocity inlet

Impingement surface

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

6

7

8

4

5

2

3

0

1

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

4

5

6

2

3

0

1

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

2

3

4

0

1

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

0

1

2

H =

2D

H =

4D

H =

6D

H =

8D

Annular jet

0 1 2 3 4-4 -3 -2 -1

0

y/D

hy/D

hy/D

h

x/Dh x/Dh

(a)

(c)

(e) (f)

(d)

(b)Velocity(m/s)

15.6

14.04

12.48

10.92

9.36

7.8

6.24

4.68

3.12

1.56

0

Rad

ial 4

50

H=2DhH=4Dh H=6Dh H=8Dh

Rad

ial 6

00

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6

6

Rad

ial

70

0

-4 0 2 4-2

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6 6-6

6

-4 0 2 4-2

X/Dh

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6

-6

6

-4 0 2 4-2-6 6X/Dh

-4 0 2 4-2-6 6X/Dh

-4 0 2 4-2-6 6X/Dh

An

nu

lar

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

0

-2

-4

2

4

Y/D

h

-6

6

00(a) 00 00(b) (c) 00

000000 00

(d)

(e) (f) (g) (h)

00(l)00(k)0000

00 00 00 00

(j)(i)

(m) (o) (p) (q)

The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand

higher than the case of annular jet. When jet-to-plate

distance become lager larger, H≥4Dh, the peak of Nusselt

number for the case of annular jet seem to be higher than

the case of radial jet at the same jet-to-plate distance.

Figure 7. Local Nusselt number distributions of on the

impinged surface passing the centerline of pipe nozzle

(Experimental results, Re=20,000, Tj=27oC)

CONCLUSIONS

In this study, the flow and heat transfer characteristics

of radial jet are investigated comparing to the case of

annular jet. The results show that, at low jet-to-plate

distance, the impingement region of radial jet is lager that

the case of annular one. It case on enhancement heat

transfer rate of radial jet when compare to the case of

annular one. However, at higher jet jet-to-plate distance,

the radial jet impinges on target surface weakly. The heat

transfer rate of radial jet for all case becomes lower than

the case of annular jet. The effects of outlet angle show

that the heat transfer of radial jet with ϴ=45o at H=2Dh is

the highest. However, at H≥6Dh, the heat transfer rate

decreases rapidly.

NOMENCLATURE

A area of heater surface (m2)

Dh hydrolic diameter of the jet (mm)

H jet-to-plate distance (mm)

h local heat transfer coefficient (W/m2 K)

I current (Ampere)

k jet thermal conductivity (W/m K)

Nu local Nusselt number (–)

��𝑐 conduction heat flux (W/m2)

��𝑟 radiation heat flux (W/m2)

ReE jet Reynolds number (–)

Tj jet temperature (oC)

Tw wall temperature (oC)

(d) REFERENCES

[1] Lee, J. and Lee S.-J., (2000): “The effect of nozzle

aspect ratio on stagnation region heat transfer

characteristics of elliptic impinging jet”. International

Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 43, pp.555-575.

[2] Zhou, D.W and Lee, S.-J. (2004): “Heat transfer

enhancement of impinging jets using mesh screens”.

International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 47,

pp.2097-2108.

[3] Mladin, E.C. and Zumbrunnen, D.A. (1997): “Local

convective heat transfer to submerged pulsating jets”,

International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46,

pp.3305-3321.

[4] Zhen, H.S., Leung, C.W., and Cheung, C.S. (2012):

“Heat transfer characteristics of an impinging premixed

annular flame jet”. Applied Thermal Engineering, Vol 36,

pp. 386-392.

[5] Ichimiya, K. (2003): “Heat Transfer characteristics of

an annular turbulent impinging jet with a confined wall

measured by thermosensitive liquid crystal”. Heat Mass

Transfer, Vol. 39, pp. 545-511.

[6] Zuckerman, N. and Lior, N. (2006): “Jet Impingement

Heat Transfer: Physics, Correlations, Numerical

Modeling”. Advances Heat Transfer,Vol. 39, pp. 565-631.

[7] Ashforth-Frost, S., Jambunathan, K., and Whitney,

C.F. (1997): “Velocity and Turbulence Characteristics of a

Semiconfined Orthogonally Impinging Slot Jet”.

Experimental Thermal Fluid Sci, Vol.14, pp. 60-67

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(b) H = 4D

h

r/Dh

-6 -4 -2 0 2 4 6

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(a) H = 2D

h

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200Radial jet 45

0

Radial jet 600

Radial jet 750

Annular

(d) H = 8Dh

r/Dh

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Nu

40

60

80

100

120

140

160

180

200(c) H = 6D

h

37

42

ภาคผนวก ง. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis)

43

ภาคผนวก ง. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis)

การค านวณนสเซลตนมเบอร (Nusselt Number) ใชความสมพนธตามสมการ

k

hDNu h (ง.1)

จากสมการนสเซลตนมเบอรสามารถน ามาเขยนแยกเปนสมการยอยไดดงน

kTT

DqqqNu

aww

hnatradinput

)(

)(

(ง.2)

)(

)(

)(

)(

)(

44

aww

hswc

aww

hsw

aww

h

TTk

DTTh

TTk

DTT

TTAk

IVDNu

(ง.3)

1144111 )()()( awwhswawwh TTkDTTTTAkIVDNu (ง.4)

hawwswc DTTkTTh 11 )()( เมอ tDh คอ ขนาดเสนผานศนยกลางไฮโดรลกของทอเจท,m

TI คอ กระแสไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส, A V คอ แรงดนไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส, V A T คอ พนทของพนผวแลกเปลยนความรอน, m2 Tw คอ อณหภมบนพนผวทมการจายฟลกซความรอน, oC Taw คอ อณหภมบนพนผวทไมมการจายฟลกซความรอน, oC Ts คอ อณหภมภายในหองทดลอง, oC

ch คอ สมประสทธการพาความรอนแบบธรรมชาต, W/m2•oC k T คอ สมประสทธการน าความรอนของเจท, W/m2•oC ε คอ คาการแผรงสความรอน (Emissivity) ,- คอ คาคงทของสตเฟนและโบลซแมน (Stefan and boltzmann) ,

W/m2•K4 ง.1. การค านวณคาความไมแนนอน (Uncertainty Analysis)

ง.1.1. คาความไมแนนอนของกระแสไฟฟา การค านวณคาความไมแนนอนของกระแสไฟฟาใชความสมพนธตามสมการ

44

)(

)(

aww

h

TTkA

DV

dI

Nud

(ง.5)

ง.1.2. คาความไมแนนอนของแรงดนไฟฟาทจายใหกบแผนสเตนเลส การค านวณคาความไมแนนอนของความตานทานไฟฟาของแผนสแตนเลสใชความสมพนธตามสมการ

)(

)(

aww

h

TTkA

DI

dV

Nud

(ง.6)

ง.1.3. คาความไมแนนอนของสมประสทธการน าความรอนของอากาศ การค านวณคาความไมแนนอนของสมประสทธการน าความรอนของอากาศใชความสมพนธตามสมการ

)(

)(

)(

)(

)(

)(22

44

2

aww

hswc

aww

hsw

aww TTk

DTTh

TTk

DTT

TTAk

DVI

dk

Nud

(ง.7)

ง.1.4. คาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทมการจายฟลกซความรอน การค านวณคาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทวดทมการจายฟลกซความรอนใชความสมพนธตามสมการ

)(

4

)(

)(

)(

)(3

2

44

2

aww

w

aww

hsw

aww

h

w TT

T

TTk

DTT

TTAk

IVD

dT

Nud

(ง.8)

2)(

)(

)( aww

hswc

aww

hc

TTk

DTTh

TTk

Dh

ง.1.5. คาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทไมมการจายฟลกซความรอน การค านวณคาความไมแนนอนของอณหภมบนพนผวทไมมการจายฟลกซความรอน

ใชความสมพนธตามสมการ

22

44

2 )(

)(

)(

)(

)(

)(

aww

hswc

aww

hsw

awwaw TTk

DTTh

TTk

DTT

TTAk

IVD

dT

Nud

(ง.9)

45

ง.1.6. คาความไมแนนอนของอณหภมภายในหองทดลอง

การค านวณคาความไมแนนอนของอณหภมภายในหองทดลองใชความสมพนธตามสมการ

)()(

4)(3

aww

hc

aww

hs

s TTk

Dh

TTk

DT

dT

Nud

(ง.10)

ง.2. การค านวณคาความไมแนนอนของนสเซลตนมเบอร การค านวณคาความไมแนนอนของนสเซลตนมเบอร (Nusselt Number) ท าไดโดยการรวมคาความไมแนนอนของตวแปรทกตวเขาดวยกน สามารถค านวณไดดงน

saww dT

Nud

dT

Nud

dT

Nud

dk

Nud

dV

Nud

dI

NudNu

)()()()()()( (ง.11)

46

ประวตผเขยน

ชอ-สกล นาย วชระ มสกะ รหสประจ าตวนกศกษา 5610120029 วฒการศกษา

วฒ ชอสถาบน ปท ปรญญาตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร 2555

ทนการศกษา ทนเกยรตบตรบณฑตศกษา การตพมพเผยแพรผลงาน

(1) ผลงานการประชมวชาการ (Conference paper) Musika, W., Wae-hayee, M., Vessakosol, P. and Nuntadusit, C., (2014),

“Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics of Radial Impinging Jet”, (The 25th International Symposium on Transport Phenomena 5-7 November 2014, Krabi,Thailand)

วชระ มสกะ, มกตาร แวหะย, ภาสกร เวสสะโกศล และชยต นนทดสต, 2558 ลกษณะการไหลและการถายเทความรอนของเจทพงชนแบบไหลตกกระทบในแนวรศม , การประชมวชาการเรองการถายเทพลงงานความรอนและมวลในอปกรณดานความรอนและกระบวนการ ครงท 14, 19-20 มนาคม 2558, ม.เชยงใหม จงหวดเชยงใหม

(2) บทความวชาการ (Journal paper) Musika, W., Wae-hayee, M., Vessakosol, P., Niyomwas, B. and

Nuntadusit, C., (2014), “Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics of Annular Impinging Jet”, Advanced Materials Research, Vol. 931-932, pp. 1223-1227. (The 5th KKU International Engineering Conference 2014 (KKU-IENC 2014), March 27-29, Khon Kaen, Thailand)