Convection from multiple jets over a complex moving surface

Abstract

Os jatos múltiplos de ar são usados como processo de convecção forçada em diversas aplicações de engenharia, uma vez que garantem elevadas taxas de transferência de calor. Porém, a complexidade da física envolvida no impacto dos jatos sobre a superfície alvo em espaços confinados torna esta área de investigação desafiante. Em algumas indústrias, a complexidade do aquecimento e/ou arrefecimento aumenta com o uso de superfícies irregulares e em movimento, tal como no processo de soldadura por refluxo. Por forma a contribuir para a sua melhoria em ambiente industrial, este trabalho tem como objetivo o estudo experimental e numérico do impacto de jatos de ar sobre superfícies complexas em movimento. Uma instalação experimental foi desenvolvida para a medição da velocidade do escoamento usando um sistema 2D-PIV, e a transferência de calor sobre a superfície alvo é medida por um sensor de fluxo. Estas técnicas experimentais permitem a caracterização da dinâmica do escoamento de um e múltiplos jatos. Os resultados provam que a técnica PIV captura com rigor as estruturas complexas do escoamento, geradas em toda a zona de medição, para diferentes números de Reynolds. Para além disso, modelos numéricos foram desenvolvidos usando o software comercial ANSYS FLUENT para a simulação de jatos em diferentes regimes de escoamento, assim como uma ferramenta própria desenvolvida em MATLAB para a análise do escoamento de um jato laminar. A comparação com dados experimentais mostra que o FLUENT prevê com rigor as diferentes regiões do jato, as interações entre jatos, bem como a transferência de calor, sem comprometer a eficiência computacional, ao passo que a ferramenta MATLAB consegue prever os vórtices gerados em todo o domínio. De modo a otimizar o trabalho experimental, os ensaios são definidos usando um planeamento de experiências baseado no método de Taguchi. Este método mostra que o processo de convecção por jatos múltiplos é otimizado para elevados números de Reynolds, um espaçamento entre jatos e uma distância entre a placa de jatos e a superfície alvo igual a 3 e 2 vezes o diâmetro do jato, respetivamente. Por outro lado, os resultados mostram um aumento da transferência de calor em 25% na vizinhança do degrau localizado sobre a superfície, devido ao aumento da turbulência do fluído comparativamente com a superfície plana. Finalmente, os resultados experimentais e numéricos apresentam um aumento da taxa de transferência de calor com o movimento da placa, mesmo quando são aplicadas baixas velocidades. Correlações para a determinação do número de Nusselt médio são propostas para superfícies estáticas e dinâmicas, estando de acordo com a literatura.

Multiple air jet impingement is a complex heat transfer process widely used in several engineering applications since it allows high heat transfer rates. However, the complexity of the physics under multiple jets impinging a target surface in a confined space makes this research field highly challenging. In some industrial processes, the complexity of the cooling and/or heating is increased by non-flat and moving surfaces, which is the case of the reflow soldering process. To provide relevant insights for industries that apply multiple jet impingement in their processes, this work focuses on the experimental and numerical study of air jets impinging a complex moving surface. A purpose-built test facility has been commissioned to measure the flow field velocity using a 2D-PIV system, while the heat transfer over the target plate is collected using a heat flux sensor. These experimental techniques are used to characterize the jet flow dynamics of single and multiple air jets. The results demonstrate that the PIV is able to capture the complex flow structure generated all over the measurement region, for different Reynolds numbers. Moreover, numerical models were developed using the commercial software ANSYS FLUENT to simulate jets lying in all flow regimes, and an in-house MATLAB code to analyze a laminar single jet impingement. Comparisons with experimental data show that FLUENT predicts with accuracy the jet flow regions, jets interactions, and heat transfer, at low computational costs, while the MATLAB code is able to capture the large and small scales induced over the domain. To optimize the experimental work, the tests are defined using a Design of Experiments based on Taguchi’s method. This study demonstrated that the multiple jet impingement process is optimized for high Reynolds numbers, a jet-to-jet spacing, and a nozzle-to-plate distance equal to 3 and 2 times the jet diameter, respectively. Furthermore, results show that the heat transfer increases 25 % in the vicinity of the step surface due to the increased flow turbulence induced by the step compared with a flat plate. Finally, both numerical and experimental results highlight an increase of the heat transfer rate with the plate motion, even for low target surface velocities. Correlations for the average Nusselt number are proposed for both static and moving plates and are in good agreement with the literature.