Numerical analysis of flow and heat transfer characteristics of impinging slot air jets

Çarpan dikdörtgen hava jetlerinde akış ve ısı transferi karakteristiklerinin sayısal analizi

Abstract

Single and multiple impinging air.jets are widely used in industry for heating, cooling, drying etc. purposes due to high heat and mass transfer rates in the impingement region. In this study, flow and heat transfer characteristics for the impingements of the single and double free jets on a surface with constant heat flux are investigated numerically. It is assumed that the flow is turbulent, two-dimensional, incompressible and steady. Standard k-$epsilon$ turbulence model is used in the analyses and conservation equations are solved by using Galerkin Finite Element code ANSYS-FLOTRAN. Computations are performed in the ranges of $4leq/D_hleq10$ and $4000leq Releq 12000$ . The variation of thermophysical properties of air with temperature and buoyancy effects are considered. In the result of analysis, it is observed that both increase in Reynolds number and decrease in $z/D_h$ ratio decrease the heat transfer rate. In the case of double jets instead of use of single one, Nusselt number increase approximately 21%. Finally, obtained results are compared and evaluated with experimental studies in literature.

Özet

Tekli ve çoklu çarpan hava jetleri çarpma bölgesinde oluşturdukları yüksek ısı ve kütle transferi nedeniyle ısıtma, soğutma, kurutma v.b. gibi birçok endüstriyel işlemde sıklıkla kullanılır. Bu çalışmada, sabit ısı akışıyla ısıtılmış bir yüzeyin tek ve çift jet kullamlarak soğutulması işlemindeki akış ve ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Akışın, türbülanslı, iki boyutlu, sıkıştırılamaz ve sürekli rejimde olduğu kabul edilmiştir. Analizde standart k-$epsilon$ türbülans modeli kullanılmış olup korunum denklemleri Galerkin Sonlu Elemanlar Metodu ile ANSYS-FLOTRAN paket programı kullanılarak çözülmüştür. Hesaplamalar $4leq/D_hleq10$ ve $4000leq Releq 12000$ aralığında yapılmıştır. Havanın termofiziksel-özelliklerinin sıcaklıkla değişimi ve kaldırma kuvveti etkileri dikkate alınmıştır. Analizler sonunda artan Reynolds sayısı ve azalan $z/D_h$ değerleriyle birlikte ısı transferinde bir artış meydana geldiği görülmüştür. Tek jet yerine aynı özelliklere sahip çift jet kullanılması durumunda ortalama Nusselt sayısında yaklaşık %21 oranında artış meydana gelmiştir. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılarak değerlendirilmiştir.