NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS

Alperen YILDIZELİ, (İstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 34437 Gümüşsuyu, İstanbul, Türkiye)
Sertaç ÇADIRCI (İstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 34437 Gümüşsuyu, İstanbul, Türkiye)
Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi
3 1
Yıl: 2023 Cilt: 43 Sayı: 1 Sayfa Aralığı: 1 - 10 Metin Dili: İngilizce DOI: 10.47480/isibted.1290659 İndeks Tarihi: 09-05-2023

NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS

Öz:
In this study, convective heat transfer by multiple impinging jet arrays in different arrangements is numerically investigated using Computational Fluid Dynamics (CFD). Computational domain consists of multiple jet array either in inline or staggered alignment and a target plate to be cooled by impinging jets. Distance between the jet array and the target plate is kept constant at H=28 mm. Diameter of circular jet nozzles is fixed at D=5 mm for all configurations. Effects of jet Reynolds number (Rej), spacing between circular jets and the alignment of the jet nozzles on aerothermal performance are parametrically investigated in the scope of this study. For staggered and inline alignments of the jet nozzles, Rej ranges from 5000 to 20000 and the ratio of the spacing to the jet diameter (s/D) changes between 2 and 6. CFD calculations are performed using finite volume based ANSYS-Fluent flow solver. Simulations are conducted for incompressible, steady and turbulent flow using k-ω SST turbulence model with ideal gas assumption for density and Sutherland law for viscosity. After intensive mesh convergence and validation tests, appropriate mesh resolution is determined and parametric investigations are performed. The study reveals that most dominant parameter for plate cooling is Rej followed by spacing between jets and finally jet alignment. For all Rej, inline jet nozzle alignment provides 15% higher average heat transfer rate than staggered alignment when s/D is close to the lower limit. However, it is shown that jet alignment does not affect thermal performance when s/D is higher.
Anahtar Kelime: Computational Fluid Dynamics (CFD) Multiple impinging jets Heat transfer enhancement

FARKLI DİZİLİMLERDE ÇOKLU ÇARPAN JETLER İLE PLAKA SOĞUTMASININ SAYISAL OLARAK İNCELEMESİ

Öz:
Bu çalışmada, iki farklı dizilim ile konumlandırılmış çoklu çarpan jetler ile gerçekleştirilen taşınımla ısı transferi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri ile sayısal olarak incelenmiştir. Çözüm hacmi, hizalı veya şaşırtmalı olarak dizilmiş jetler, jet plakası, soğutulması hedeflenen plaka ve arada bulunan akış hacmini kapsamaktadır. Jet dizisi ile hedef plakası arasındaki mesafe H=28 mm olup, sabittir. Tüm dizilimlerde dairesel jet orifislerinin çapı sabit olup, D=5 mm'dir. Çalışma kapsamında jet Reynolds sayısının (Rej), ardışık jetler arasındaki mesafenin ve jet orifisleri dizilim tipinin aerotermal performans üzerindeki etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Jet orifislerinin şaşırtmalı ve hizalı dizildiği durumlar için, Rej’nin 5000 ila 20000 arasında değiştiği ve ardışık orifisler arasındaki mesafenin orifis çapına oranının (s/D) 2 ila 6 arasında olduğu durumlar incelenmiştir. HAD hesaplamaları sonlu hacim yöntemi temelli ANSYS-Fluent akış çözücüsü kullanılarak yapılmıştır. Simülasyonlar sırasında, hal denklemleri için ideal gaz varsayımı ve viskozitenin sıcaklıkla değişimini ifade etmek için Sutherland yasası kullanılmıştır. HAD analizleri k-ω SST türbülans modeli kullanılarak sıkıştırılamaz, daimi ve türbülanslı akışlar için yapılmıştır. Çözüm ağından bağımsızlık ve doğrulama analizlerinin ardından uygun çözüm ağı belirlenmiş ve parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çalışma, hedef plakanın soğutulmasında en baskın parametrenin Rej olduğunu, ardından jetler arasındaki mesafe ve son olarak jet dizilimi olduğunu ortaya koymaktadır. Jetlerin birbirine yakın olduğu durumlarda hizalı dizilimin, şaşırtmalı dizilime göre %15 civarında daha yüksek ısı transferi sağladığı görülmüştür. Buna karşılık ardışık jetlerin birbirinden uzak olduğu durumlarda hizalama tipinin ısıl performansına etkisinin görülmediği HAD analizleri ile ortaya konmuştur.
Anahtar Kelime: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) Çoklu çarpan jet Isı transferi iyileştirmesi

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • Bijarchi, M. A., Eghtesad, A., Afshin, H., and Shafii, M. B., 2019, Obtaining uniform cooling on a hot surface by a novel swinging slot impinging jet. Applied Thermal Engineering, 150, 781-790. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.01.037
  • Chang S.W. and Shen H.D, 2019, Heat transfer of impinging jet array with web-patterned grooves on nozzle plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, 141, 129–144. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.048
  • Chauhan, R. and Thakur, N. S., 2014, Investigation of the thermohydraulic performance of impinging jet solar air heater, Energy, 68, 255-261. doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.059
  • Chen, L. and Brakmann, R. G., 2020, Detailed investigation of staggered jet impingement array cooling performance with cubic micro pin fin roughened target plate, Applied Thermal Engineering, 171, 115095. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115095
  • Chougule, N. K., Parishwad, G. V., Gore, P. R., Pagnis, S., and Sapali, S. N., 2011, CFD analysis of multi-jet air impingement on flat plate, Proceedings of the World Congress on Engineering 2011, London, United Kingdom.
  • Fu, J., Li, Y., Cao, Z., Sundén, B., Bao, J. and Xie, G., 2022, Effect of an impinging jet on the flow characteristics and thermal performance of mainstream in battery cooling of hybrid electric vehicles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 183, 122206. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122206
  • Menter F.R., 1994, Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications, AIAA Journal, 32, 8. doi.org/10.2514/3.12149
  • Obot N. T. and Trabold T. A., 1987, Impingement heat transfer within arrays of circular jets: Part 1—effects of minimum, intermediate, and complete crossflow for small and large spacings., Journal of Heat Transfer, 109, 872–879. doi.org/ 10.1115/1.3248197
  • Sabato, M., Fregni, A., Stalio, E., Brusiani, F., Tranchero, M. and Baritaud, T., 2019, Numerical study of submerged impinging jets for power electronics cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 141, 707-718. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.081
  • Tepe, A.Ü., 2021, Numerical investigation of a novel jet hole design for staggered array jet impingement cooling on a semicircular concave surface, International Journal of Thermal Sciences, 162, 106792. doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106792
  • Triantaphyllou, E., 2000, Multi-criteria decision making methods: A comparative study. Springer, Boston, MA, 320-325.
  • Vinze, R., Khade, A., Kuntikana, P., Ravitej, M., Suresh, B., Kesavan, V., and Prabhu, S. V., 2019, Effect of dimple pitch and depth on jet impingement heat transfer over dimpled surface impinged by multiple jets, International Journal of Thermal Sciences, 145, 105974. doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.105974
  • Wen, Z. X., He, Y. L., and Ma, Z., 2018, Effects of nozzle arrangement on uniformity of multiple impinging jets heat transfer in a fast cooling simulation device, Computers and Fluids, 164, 83-93. doi.org/10.1016/j.compfluid.2017.05.012
  • Wu, R., Fan, Y., Hong, T., Zou, H., Hu, R., and Luo, X., 2019, An immersed jet array impingement cooling device with distributed returns for direct body liquid cooling of high power electronics, Applied Thermal Engineering, 162, 114259. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114259
  • Xing Y. and Weigand B., 2013, Optimum jet-to-plate spacing of inline impingement heat transfer for different crossflow schemes, Journal of Heat Transfer, 135, 7. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.10.022
  • Zuckerman N. and Lior N., 2005, Impingement heat transfer: Correlations and numerical modeling, Journal of Heat Transfer, 127, 544–552. doi.org/10.1115/1.186192
APA YILDIZELİ A, Cadirci S (2023). NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. , 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
Chicago YILDIZELİ Alperen,Cadirci Sertac NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. (2023): 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
MLA YILDIZELİ Alperen,Cadirci Sertac NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. , 2023, ss.1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
AMA YILDIZELİ A,Cadirci S NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. . 2023; 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
Vancouver YILDIZELİ A,Cadirci S NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. . 2023; 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
IEEE YILDIZELİ A,Cadirci S "NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS." , ss.1 - 10, 2023. 10.47480/isibted.1290659
ISNAD YILDIZELİ, Alperen - Cadirci, Sertac. "NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS". (2023), 1-10. https://doi.org/10.47480/isibted.1290659
APA YILDIZELİ A, Cadirci S (2023). NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 43(1), 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
Chicago YILDIZELİ Alperen,Cadirci Sertac NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi 43, no.1 (2023): 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
MLA YILDIZELİ Alperen,Cadirci Sertac NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, vol.43, no.1, 2023, ss.1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
AMA YILDIZELİ A,Cadirci S NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi. 2023; 43(1): 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
Vancouver YILDIZELİ A,Cadirci S NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi. 2023; 43(1): 1 - 10. 10.47480/isibted.1290659
IEEE YILDIZELİ A,Cadirci S "NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS." Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 43, ss.1 - 10, 2023. 10.47480/isibted.1290659
ISNAD YILDIZELİ, Alperen - Cadirci, Sertac. "NUMERICAL INVESTIGATION OF PLATE COOLING USING MULTIPLE IMPINGING JETS IN DIFFERENT ALIGNMENTS". Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi 43/1 (2023), 1-10. https://doi.org/10.47480/isibted.1290659
Sayfa Oluşturulma Tarihi
24-04-2024 6:52

İLETİŞİM

TÜBİTAK ULAKBİM TR Dizin

Yüzüncüyıl, İşçi Blokları Mahallesi

Muhsin Yazıcıoğlu Caddesi No:51/C

06530 Çankaya / ANKARA +90 (312) 298 92 00

trdizin@tubitak.gov.tr

TÜBİTAK ULAKBİM Ulusal Akademik Ağ ve Bilgi Merkezi Cahit Arf Bilgi Merkezi © Tüm Hakları Saklıdır. Gizlilik Politikası Kullanım Şartları