กรุณาใช้ตัวระบุนี้เพื่ออ้างอิงหรือเชื่อมต่อรายการนี้: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17817
ชื่อเรื่อง: การศึกษาลักษณะการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทพุ่งชนด้วยน้ำผสมฟองอากาศ
ชื่อเรื่องอื่นๆ: Study of Heat Transfer Characteristics of Impinging Bubbly Jet
ผู้แต่ง/ผู้ร่วมงาน: ชยุต นันทดุสิต
ฉัตวัสส์ อรุณรุจิพันธ์
Faculty of Engineering Mechanical Engineering
คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล
คำสำคัญ: เจ็ต;ความร้อน การถ่ายเท
วันที่เผยแพร่: 2020
สำนักพิมพ์: มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์
บทคัดย่อ: Thermal energy management has importance for electronic devices. These have continuously produced overheated while it is operated. In the present, the application of liquid jet impingement is widely utilized. This technique has a high cooling rate in the impingement region and can eliminate heat rapidly. Therefore, this research has an idea using two-phase flow which is air mixed with water jet for heat transfer enhancement for cooling the surface. This objective of the research is to study the flow and heat transfer characteristics of impinging two-phase jet flow which has mixed between water and air. This research can be divided into two parts; the first part focused on flow characteristics in the pipe nozzle and jet flow, which affected to the heat transfer on the impingement surface. This study used the pipe nozzle which has an inner diameter (D) of about 9.5 mm. Reynolds number of water (Rew) was fixed at 24,000. The effect of volumetric fraction was investigated at B = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, and 0.7, respectively. Furthermore, the nozzle to impingement plate distances was studied at L = 2D, 4D, 6D, 8D, and 10D. The second part focused on the effect of bubble size on heat transfer characteristics of impinging jet for water jet mixing with air microbubble. The air microbubble was generated by compressing air and dissolving in the water pressure tank and then decompressed suddenly. The Reynolds number of water (Rew) was fixed at 16,000, and the gage pressure in the pressure tank was varied at 3, 4, 5, and 6 bars. The nozzle to impingement surface distance was investigated at L = 1D, 2D, 4D, and 8D For the study of flow characteristics of the air-water jet, the high-speed camera was applied to record the flow in the pipe nozzle and the jet flow before impingement. For the study the heat transfer characteristics on the impingement surface, the thermal infrared camera was used to record the temperature distribution, and the Nusselt number on the impingement surface was then calculated. The microbubble was recorded with a digital microscope camera, and image processing method was then used to evaluate the bubble size. For two-phase flow characteristics in the pipe nozzle with increase the flow rate of air, it was found that the water flow rate at Reynolds number of water between Rew =8,400 to 21,400 showed two types of flow patterns: the air bubble like a bullet shape or slug flow, and the group of air bubbles characterized with turbulence or churn flow. Moreover, the case of water flow rate between Rew = 24,000 and 26,700 showed three types of flow patterns: water flows with small bubbles or bubbly flow, slug flow and churn flow when increasing air flow rate. These results led to selection for one case of water flow rate at Rew = 24,000, which covering all types of flow patterns for studying the effect of air flow rate on heat transfer characteristics of an impinging jet. For the flow characteristic of the impinging jet at volumetric fraction B =0.1, it found that the air bubbles that were impinging on the surface were similar to bubbly flow in the pipe nozzle. For volumetric fraction at B=0.2 and 0.3, it found that the behavior of the bubble that near the exit nozzle was slug flow, and when this bubble was interacted by shearing with the surrounding water and break down to some small bubbles. For volumetric fraction at B =0.4 and 0.5, it found that the behavior of the bubbles that were near the exit nozzle was a cloud of the bubble or churn flow, and then it was sheared by the surrounding water and broken down to some small bubbles. For volumetric fraction at ß =0.6 and 0.7, it found that the small bubbles appeared near the exit nozzle and extended to the impingement surface. This resulted in the impingement surface mostly covered by the gas phase. However, the behavior does not observe for the case of L=10D. For the study of heat transfer of impinging jet at all jet impingement distance, the air bubbles in impinging jet had affected significantly on heat transfer enhancement when compared to the case of a water jet. This is due to the bubbles increasing the turbulent intensity in water jet and disturbing the thermal boundary layer overall the impingement surface. Particularly, the case of volumetric fraction B =0.3 and impingement distance L=4D gives the highest average Nusselt number on the surface. It can enhance heat transfer about 47% when compared case of impinging water jet. However, when volumetric fraction increased, it may also decrease the heat transfer of the impinging jet when compared with impinging water jet. Because the quantity of air increased in the jet flow will generate the air film on the impingement surface.
Abstract(Thai): การจัดการพลังงานความร้อนถือว่าเป็นสิ่งสำคัญสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการมีผลิตความร้อนส่วนเกินออกมาขณะใช้งาน ซึ่งการประยุกต์ใช้เจ็ทของเหลวพุ่งชนพื้นผิวเป็นเทคนิคที่นิยมกันอย่างมากในปัจจุบัน ซึ่งจะให้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่ค่อนข้างสูงในบริเวณที่เจ็ทของเหลว พุ่งชนและสามารถกำจัดความร้อนบนพื้นผิวได้อย่างรวดเร็ว ในงานวิจัยนี้จึงมีแนวคิดที่จะใช้ของไหลสองสถานะที่เป็นเจ็ทน้ำผสมฟองอากาศในการเพิ่มความสามารถในการระบายความร้อน ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาลักษณะการไหลและการถ่ายเทความร้อนของเจ็ท พุ่งชนด้วยของไหลเจ็ทที่เป็นการไหลแบบสองสถานะระหว่างน้ำและอากาศ ซึ่งสามารถแบ่งงานวิจัยออกเป็น 2 ส่วน ส่วนที่หนึ่งเป็นการศึกษาพฤติกรรมการไหลภายในท่อเจ็ทและพฤติกรรมการไหลของเจ็ทที่มีอิทธิพลต่อการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทพุ่งชน ในการทดลองใช้หัวฉีดแบบท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง D=9.5 mm และกำหนดค่าเรย์โนลด์นัมเบอร์ของน้ำที่ Rew=24,000 และศึกษาผลของตัวแปรสัดส่วนระหว่างอัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศกับอัตราการไหลเชิงปริมาตรรวม ที่ B=0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 และ 0.7 และระยะพุ่งชนที่ L=2D, 4D, 6D, 8D และ 10D และส่วนที่สองเป็นการศึกษาผลของขนาดของฟองอากาศที่มีอิทธิพลต่อการถ่ายเทความร้อนของเจ็ท พุ่งชนด้วยน้ำผสมฟองอากาศระดับไมครอน ในการทดลองฟองอากาศระดับไมครอนสร้างโดยใช้ถังความดันในการอัดอากาศให้ละลายในน้ำแล้วลดความดันทันที ในการทดลองได้กำหนดค่าเรย์โนลด์นัมเบอร์ของน้ำที่ Rew=16,000 และทดสอบเงื่อนไขที่ความดันภายในถังที่ 3, 4, 5 และ 6 bar และระยะพุ่งชน L=1D, 2D, 4D และ 8D สำหรับการศึกษาพฤติกรรมการไหลของน้ำผสมฟองอากาศได้ใช้กล้องถ่ายภาพความเร็ว สูงในการบันทึกภาพการไหลภายในท่อเจ็ทและการไหลของเจ็ทก่อนพุ่งชนพื้นผิว ในการศึกษาการ ถ่ายเทความร้อนของเจ็ทพุ่งชนบนพื้นผิวได้ใช้กล้องถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดในการบันทึกการกระจายอุณหภูมิบนพื้นผิวที่เจ็ทพุ่งชน และคำนวณหาค่าการกระจายตัวเลขนัสเซิลท์บนพื้นผิว และฟองอากาศขนาดไมครอนวัดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ดิจิตอลบันทึกภาพและใช้เทคนิคการวิเคราะห์ภาพในการหาขนาดของฟองอากาศ สำหรับพฤติกรรมการไหลแบบสองสถานะภายในท่อเจ็ท ในกรณีที่เปลี่ยนอัตราการไหลของอากาศ พบว่า อัตราการไหลน้ำที่เงื่อนไข Rew=8,400 ถึง 21,400 มีการไหล 2 รูปแบบได้แก่การไหลที่รูปร่างฟองอากาศเป็นแบบหัวกระสุน (Slug flow) และการไหลที่กลุ่มฟองอากาศมีลักษณะ ปั่นป่วน (Churn flow) และกรณีที่ Rew=24,000 ถึง 26,700 มีการไหล 3 รูปแบบ ได้แก่ การไหล มีฟองอากาศมีขนาดเล็กผสมอยู่ (Bubbly flow) การไหลที่รูปร่างฟองอากาศเป็นแบบหัวกระสุน (Slug flow) และการไหลที่กลุ่มฟองอากาศมีลักษณะปั่นป่วน (Churn flow) ซึ่งผลลัพธ์นี้จะนำไปสู่การเลือกกรณีศึกษาเจ็ทพุ่งชนเฉพาะที่อัตราการไหลน้ำมี Rew=24,000 ซึ่งครอบคลุมช่วงพฤติกรรมการไหลภายในท่อทั้ง 3 รูปแบบ สำหรับพฤติกรรมการไหลของเจ็กพุ่งชนที่เงื่อนไข B=0.1 พบว่า กลุ่มฟองอากาศที่ปะทะกับพื้นผิวจะมีลักษณะเหมือนกับภายในท่อเจ็ท สำหรับที่เงื่อนไข ฿ =0.2 และ 0.3 พบว่าพฤติกรรมของฟองอากาศที่ใกล้ปากทางออกของท่อเจ็ทจะมีลักษณะเป็นหัวกระสุน แต่จะเกิดการเฉือนกันกับน้ำบริเวณโดยรอบและแตกตัวเป็นฟองอากาศขนาดเล็กเข้าพุ่งชนกับพื้นผิว สำหรับที่เงื่อนไข ฿ =0.4 และ 0.5 พบว่าพฤติกรรมของฟองอากาศที่ใกล้ออกปากทางออกของท่อเจ็ทจะเกิดการรวมตัวเป็นกลุ่มก้อนฟองอากาศ ต่อมาจะเกิดการเฉือนกันกับน้ำบริเวณโดยรอบและจะแตกตัวเป็นกลุ่มก้อนฟองอากาศจำนวนมาก และที่เงื่อนไข ฿ =0.6 และ 0.7 พบว่าพฤติกรรมของฟองอากาศที่ออกปากทางออกของท่อเจ็ทถึงพื้นผิวพุ่งชน จะมีลักษณะเป็นลำฟองอากาศที่ขนาดยาวและค่อนข้างต่อเนื่อง โดยบริเวณพื้นผิวที่ปะทะจะถูกปกคลุมด้วยฟิล์มอากาศโดยส่วนใหญ่ แต่จะไม่พบในกรณีที่ระยะพุ่งชนสูงที่ L=10D สำหรับการศึกษาการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทพุ่งชนที่ระยะพุ่งชนต่าง ๆ พบว่าฟองอากาศมีผลต่อการเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิว เมื่อเทียบกับกรณีที่ใช้เจ็ทของไหลที่เป็นน้ำ เนื่องจากฟองอากาศมีส่วนช่วยในการเพิ่มระดับความปั่นป่วนในการไหลของเจ็ทและฟองอากาศเมื่อไหลบนพื้นผิวพุ่งชนเกิดรบกวนชั้นขอบเขตความร้อนทั่วพื้นผิว โดยในกรณีที่ระยะ พุ่งชน L-4D และค่า ฿ -0.3 จะให้ค่านัสเซิลท์นัมเบอร์เฉลี่ยบนพื้นผิวสูงที่สุด ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนได้ถึง 47% เมื่อเทียบกับการใช้เจ็ทน้ำ แต่การเพิ่มสัดส่วน ฿ ที่ รูง อาจส่งผลให้ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทพุ่งชนลดลงได้ เมื่อเทียบกับการใช้เจ็ท น้ำ เนื่องจากปริมาณฟองอากาศที่เพิ่มสูงขึ้น ก่อให้เกิดการรวมตัวของฟองอากาศเป็นฟิล์มอากาศปกคลุมพื้นผิว สำหรับการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทน้ำผสมฟองอากาศระดับไมครอน พบว่าการเพิ่มความดันที่ถังความที่ 3, 4, 5 และ 6 bar มีผลทำให้ขนาดของฟองอากาศมีขนาดเล็กลง โดยมีค่าเฉลี่ยขนาดของฟองอากาศที่ 117, 105, 98 และ 97 ไมครอน ตามลำดับ แต่พบว่าการใช้น้ำผสมฟองอากาศระดับไมครอน ไม่สามารถเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทความร้อนได้ เนื่องจากฟองระดับไมครอนไม่สามารถที่จะเพิ่มระดับความปั่นป่วนและรบกวนชั้นชอบเขตความร้อนได้สำหรับในงานวิจัยครั้งนี้
รายละเอียด: วิทยานิพนธ์ (วศ.ม. (วิศวกรรมเครื่องกล))--มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์, 2563
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17817
ปรากฏในกลุ่มข้อมูล:215 Thesis

แฟ้มในรายการข้อมูลนี้:
แฟ้ม รายละเอียด ขนาดรูปแบบ 
447049.pdf19.12 MBAdobe PDFดู/เปิด


รายการนี้ได้รับอนุญาตภายใต้ Creative Commons License Creative Commons