ทบทวนเอกสาร: การเพมความสามารถการถายเทความรอน บนพนผวโดยรอยเวาและรอยนน

A Review: Heat Transfer Enhancement on a Surface by Dimple and Protrusion

มกตาร แวหะย* และ ชยต นนทดสต

Makatar Wae-hayee* and Chayut Nuntadusit สถานวจยเทคโนโลยพลงงาน และ ภาควชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยสงขลานครนทร อ.หาดใหญ จ.สงขลา 90112 Energy Research Center and Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

Prince of Songkla University, Hatyai, Songkhla, Thailand *E-mail: wmakatar@eng.psu.ac.th, Telephone Number: 074-287231, Fax. Number: 074-558830

บทคดยอ การเพมประสทธภาพการถายเทความรอนมความส าคญ สามารถชวยประหยดพลงงานในอปกรณดานความรอน บทความนเปนการทบทวนเอกสารงานวจยเกยวกบการเพมอตราการถายเทความรอนบนพนผวทมรอยเวาหรอรอยนน

เมอของไหลไหลผานพนผวทมรอยเวาหรอรอยนนจะเกดบรเวณการไหลแยกตว (Separation flow) การไหลเกาะตดผนงอกครง (Reattachment flow) และการไหลหมนวน (Circulation flow) สงผลท าใหเกดการไหลแบบปนปวนและ

ชวยใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวสงขน ในบทความไดสรปงานวจยเกยวกบการเพมอตราการถายเทความรอนโดยสรางรอยเวาและรอยนนบนพนผวเรยบภายในชองการไหล บนพนผวทเจทพงชน และบนพนผวภายในทอทใชกบอปกรณแลกเปลยนความรอน นอกจากนไดน าเสนอสทธบตรทออกแบบใหอปกรณทางความรอนทมพนผวเปนแบบรอยเวาและรอยนนเพอเพมประสทธภาพเชงความรอนของอปกรณ

ค าส าคญ : การเพมการถายเทความรอน, รอยเวา, รอยนน, อปกรณแลกเปลยนความรอน

ABSTRACT The enhancement of thermal efficiency is very important for energy saving in thermal equipment. In this article, the heat transfer enhancement on a surface with dimples and protrusions were reviewed. When the flow passed through the surface with dimples and protrusions, separation flow, reattachment flow and circulation flow were occurred resulting on increasing turbulent flow and increasing the heat transfer on the surface. In this article, the heat transfer enhancement by using dimple and protrusion technique on the surface in a flow channel, on an impingement surface and in the internal surface of tube using for heat exchanger were presented. In addition, the patents regarding the designing of thermal equipment with dimples and protrusions technique for increasing thermal efficiency was also presented. Keywords: Heat transfer enhancement, Dimple, Protrusion, Heat exchanger

บทความนไดรบการแกไขปรบปรงจากบทความเรอง “การทบทวนเอกสาร: การไหลและการถายเทความรอนบนพนผวทมรอยเวาและรอยนน” ในทประชมวชาการ การถายเทพลงงานความรอนและมวลสารในอปกรณดานความรอนและกระบวนการครงท 15

10

856 วารสารวศวกรรมศาสตร

ม ห า ว ท ย า ล ย เ ช ย ง ใ ห ม

11 Received 24 June 2016Accepted 15 July 2016

1. บทน า การเพมความสามารถถายเทความรอนเปนวธหนงท

สามารถชวยประหยดพลงงาน โดยเฉพาะในกระบวนการท มการแลกเป ลยนความรอนเขามา เ กยวของ เ ชน กระบวนการการใหความรอน การระบายความรอน การท าใหแหงบนพนผว หรอในอปกรณแลกเปลยนความรอน ซงกระบวนการสวนใหญจะใชหลกการถายเทความรอนแบบการพาความรอน หากสามารถออกแบบระบบใหมสมประสทธการถายเทความรอนสง จะสามารถลดการใชพลงงานของปม พดลม หรอลดขนาดและน าหนกของอปกรณ รวมถงตนทนในการผลต

ส าหรบวธการเพมคาสมประสทธการถายเทความรอนสามารถท าไดโดยการลดความหนาของชนขอบเขต (Boundary layer) หรอท าลายช นขอบเขตท เ กด ขนระหวางของไหลกบพนผว เนองจากภายในชนขอบเขตของไหลมความเรวต าเหมอนเปนช นฉนวนความรอน ส าหรบการลดความหนาของชนขอบเขตสามารถท าไดโดยการเพมความเรวใหกบของไหล แตวธนจ าเปนตองเพมก าลงของพดลมหรอปม สวนวธการท าลายชนขอบเขตสามารถท าไดโดยการตดตงอปกรณสรางความปนปวน (Turbulators) เ ชน กลมของรบส (Ribs) หรอพนส (Pins) บนพนผวแลกเปลยนความรอน ซงวธดงกลาวไมจ าเปนตองเพมความเรวของของไหล เนองจากชนขอบเขตการไหลจะถกท าลายเมอของไหลไหลผานอปกรณทตดตง แตอยางไรกตาม วธนจ าเปนทจะตองค านงถงการสญเสยความดนทเกดขน

ในรปท 1 การท าใหผวเปนรอยเวา (Dimples) หรอรอยนน (Protrusions) เปนวธหนงทสามารถเพมการถายเทความรอนบนพนผว เมอของไหลไหลผานรอยเวาหรอรอยนนจะเกดบรเวณการไหลแยกตว (Separation

flow) แ ล ะบ ร เ วณก า ร ไหล เ ก า ะ ต ด ผน ง อ ก ค ร ง (Reattachment flow) ซงอตราการถายเทความรอนจะสงบรเวณทมการไหลเกาะตดผนงอกครง ส าหรบจดเดนของการเพมการถายเทความรอนโดยการท าใหผวเปนรอยเวาหรอรอยนน คอ รอยนนมขนาดบางเมอเทยบกบรบ

ปกหรอพน ท าใหสามารถลดการใชวสดในการสรางอปกรณทางความรอน รวมถงสามารถลดการสญเสยความดนในระบบ [1-6] นกวจยไดพยายามศกษาเ กยวกบลกษณะการไหลและการถายเทความรอนบนพนผวในบรเวณทมกลมของรอยเวาหรอรอยนน เพอเพมอตราการถายเทความรอนในอปกรณแลกเปลยนความรอนตามทไดแสดงในรปท 2 [2]

รปท 1 ลกษณะพนผวเวา (Dimple) และพนผวนน (Protrusion) [1]

รปท 2 แสดงลกษณะพนผวทมรอยเวาและรอยนนทใชในการเพมการถายเทความรอนภายในครบระบายความรอน

[2]

Flow

ProtrusionDimple

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

12

1. บทน า การเพมความสามารถถายเทความรอนเปนวธหนงท

สามารถชวยประหยดพลงงาน โดยเฉพาะในกระบวนการท มการแลกเป ลยนความรอนเขามา เ กยวของ เ ชน กระบวนการการใหความรอน การระบายความรอน การท าใหแหงบนพนผว หรอในอปกรณแลกเปลยนความรอน ซงกระบวนการสวนใหญจะใชหลกการถายเทความรอนแบบการพาความรอน หากสามารถออกแบบระบบใหมสมประสทธการถายเทความรอนสง จะสามารถลดการใชพลงงานของปม พดลม หรอลดขนาดและน าหนกของอปกรณ รวมถงตนทนในการผลต

ส าหรบวธการเพมคาสมประสทธการถายเทความรอนสามารถท าไดโดยการลดความหนาของชนขอบเขต (Boundary layer) หรอท าลายช นขอบเขตท เ กด ขนระหวางของไหลกบพนผว เนองจากภายในชนขอบเขตของไหลมความเรวต าเหมอนเปนช นฉนวนความรอน ส าหรบการลดความหนาของชนขอบเขตสามารถท าไดโดยการเพมความเรวใหกบของไหล แตวธนจ าเปนตองเพมก าลงของพดลมหรอปม สวนวธการท าลายชนขอบเขตสามารถท าไดโดยการตดตงอปกรณสรางความปนปวน (Turbulators) เ ชน กลมของรบส (Ribs) หรอพนส (Pins) บนพนผวแลกเปลยนความรอน ซงวธดงกลาวไมจ าเปนตองเพมความเรวของของไหล เนองจากชนขอบเขตการไหลจะถกท าลายเมอของไหลไหลผานอปกรณทตดตง แตอยางไรกตาม วธนจ าเปนทจะตองค านงถงการสญเสยความดนทเกดขน

ในรปท 1 การท าใหผวเปนรอยเวา (Dimples) หรอรอยนน (Protrusions) เปนวธหนงทสามารถเพมการถายเทความรอนบนพนผว เมอของไหลไหลผานรอยเวาหรอรอยนนจะเกดบรเวณการไหลแยกตว (Separation

flow) แ ล ะบ ร เ วณก า ร ไหล เ ก า ะ ต ด ผน ง อ ก ค ร ง (Reattachment flow) ซงอตราการถายเทความรอนจะสงบรเวณทมการไหลเกาะตดผนงอกครง ส าหรบจดเดนของการเพมการถายเทความรอนโดยการท าใหผวเปนรอยเวาหรอรอยนน คอ รอยนนมขนาดบางเมอเทยบกบรบ

ปกหรอพน ท าใหสามารถลดการใชวสดในการสรางอปกรณทางความรอน รวมถงสามารถลดการสญเสยความดนในระบบ [1-6] นกวจยไดพยายามศกษาเ กยวกบลกษณะการไหลและการถายเทความรอนบนพนผวในบรเวณทมกลมของรอยเวาหรอรอยนน เพอเพมอตราการถายเทความรอนในอปกรณแลกเปลยนความรอนตามทไดแสดงในรปท 2 [2]

รปท 1 ลกษณะพนผวเวา (Dimple) และพนผวนน (Protrusion) [1]

รปท 2 แสดงลกษณะพนผวทมรอยเวาและรอยนนทใชในการเพมการถายเทความรอนภายในครบระบายความรอน

[2]

Flow

ProtrusionDimple

บทความนมจดประสงคเพอทบทวนเอกสารงานวจยทศกษาเกยวกบการไหลและการถายเทความรอนบนพนผวทมรอยเวาและรอยนน เพอเปนการรวบรวมขอมลใหผทสนใจไดศกษาเพอตอยอดในการท าวจยหรอออกแบบอปกรณดานความรอนใหมประสทธภาพการถายเทความรอนทสง สงผลท าใหชวยประหยดพลงงานในระบบ

ในตอนตนของบทความไดน าเสนอลกษณะทวไป ของการไหลบนพนผว และกลไกการการเพมการถายเท ความรอนบนพนผวโดยใชวธท าใหพนผวเปนรอยเวาหรอ รอยนน จากน นไดน าเสนอแนวทางการเพมอตราการถายเทความรอนบนพนผวทมรอยเวาและรอยนนภายในชองการไหล บนพนผวทเจทพงชน และบนพนผวภายในทอ ท ใ ชกบ อปกร ณแลก เป ล ยนคว าม ร อน (Heat

exchanger) นอกจากนไดน าเสนอสทธบตรทออกแบบใหอปกรณทางความรอนมพนผวเปนแบบรอยเวาและรอยนนเพอเพมประสทธภาพทางความรอนของอปกรณ

2. ลกษณะการไหลบนพนผวทมรอยเวาและรอยนน

การเพมสมประสทธการถายเทความรอนบนพนผวสามารถท าไดโดยการออกแบบใหพนผวมรอยเวาหรอรอยนน ซงเปนวธทนยมน ามาใชในปจจบน เนองจากสามารถขนรปรอยนนหรอสรางเปนรอยเวาไดงาย ส าหรบกรณทเปนรอยเวาสามารถลดความดนสญเสยในระบบไดมากเมอเทยบกบกรณรอยนน จากรปท 3 [6] แสดงการไหลของของไหลผานรอยเว า จะเกดบรเวณการไหลแยกตว

(Separation flow) ก า ร ไหล เ ก า ะ ต ด ผน ง อ ก ค ร ง (Reattachment flow) แ ล ะ ก า ร ไ ห ล ห ม น ว น (Circulation flow) ซงอตราการถายเทความรอนจะสงบรเวณทมการตกกระทบภายในรอยเวา และการไหลหมนวนบนพนผวเรยบดาน Downstream ของรอยเวา

รปท 3 แสดงลกษณะการไหลผานรอยเวา (Dimple) [6]

จากรปท 3 [6] การไหลของของไหลผานรอยเวา จะเกดการไหลแบบแยกตวบรเวณตนทาง (Upstream)

ของรอยเวา และเกดการไหลแบบเกาะตดผนงอกครงบรเวณปลายทาง (Downstream) ของรอยเวา ส าหรบบรเวณทเกดการไหลแบบแยกตวจะเกดกระแสหมนวนอยกบท ท าใหบรเวณดงกลาวมการถายเทความรอนต า เพอแกปญหาดงกลาว ไดมการออกแบบใหรอยเวาเปนแบบไมสมมาตรตามทไดแสดงในรปท 4 (ข) จากรปพบวา การไหลหมนวนมขนาดลดลงเมอเทยบกบกรณรอยเวาแบบสมมาตรตามทไดแสดงในรปท 4 (ก) สงผลท าใหบรเวณดงกลาวมอตราการถายเทความรอนเพมขน [7]

(ก) แบบสมมาตร (ข) แบบไมสมมาตร

รปท 4 แสดงลกษณะการไหลหมนวนภายในรอยเวา กรณแบบสมมาตรและแบบไมสมมาตร [7]

ส าหรบโครงสรางการไหลผานรอยนนแสดงในรปท

5 ซงมลกษณะแตกตางจากกรณของรอยเวา ลกษณะการไหลจะเกดการแยกตวบรเวณตนทางของรอยนน บรเวณนจะเกดกระแสหมนวนอยกบทขนาดเลก เมอของไหลผาน

รอยนนจะเกดการไหลแบบเกาะตดผนงอกครงบนพนผวเรยบดานปลายทางการไหลของรอยนน โดยบรเวณปลายทางการไหลทเปนพนผวโคงของรอยนนจะเกดเปนกระแสหมนวนทอยกบท บรเวณทเกดการไหลเปนกระแสหมน

12 13

85

วนอยกบทเปนบรเวณทมการถายเทความรอนต า และบรเวณทมการไหลแบบเกาะตดผนงอกครงเปนบรเวณทมการถายเทความรอนสง

รปท 5 แสดงลกษณะการไหลผานรอยนน (Protrusion)

ส าหรบโครงสรางการไหลของของไหลทผานรอย

เวาและรอยนนทกลาวมาขางตน จะมการเปลยนแปลงเลกนอย (ต าแหนงทเกาะตดผนงอกครงหรอขนาดของกระแสหมนวน) ขนอยกบความเรวของการไหลหลก

3. การค านวณหาอตราการถายเทความรอนบนพนผวและสมรรถนะเชงความรอน

ในการหาอตราการถายเทความรอนบนพนผวทมรอยเว าหรอรอยนนจะนยามโดยใชคานสเซลตนมเบอร (Nusselt number, Nu) ซงค านวณไดจากสมการ

khDNu (1)

เมอ h คอ คาสมประสทธการถายเทความรอนเฉพาะจดบนพนผว, k คอ คาสมประสทธการน าความรอนของของไหล โดยทวไปจะเปนน าหรออากาศ ส าหรบคา D คอ ขนาดเสนผานศนยกลางภายในของทอหรอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลกของหนาตดชองการไหล

ส าหรบคาสมประสทธการถายเทความรอนเฉพาะจด บนพนผว (h) สามารถค านวณไดจากสมการ

)( FW

lossesinput

TTAQQ

h

(2)

โดยท

inputQ คอ อตราการ จายความรอนบน พนผ วแลกเปลยนความรอน

lossesQ คอ อตราการสญเสยความรอนบนพนผว

แลกเปลยนความรอน A คอ พนทของพนผวแลกเปลยนความรอน

WT คอ อณหภมบนพนผวแลกเปลยนความรอน

FT คอ อณหภมของของไหล

ส าหรบนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวสามารถค านวณไดจากการเฉลยอณหภมบนพนผวถายเทความรอนแลวน าไปแทนในสมการท (2) ซงจะไดคาสมประสทธการถายเทความรอนเฉลย จากนนจงน ามาแทนในสมการท (1)

คาสมประสทธความเสยดทาน (f) ทเกดขนเนองจากการไหลภายในชองการไหลสามารถวดไดจากการวดผลตางความดนในชวงทสนใจ แลวน ามาแทนในสมการ

)/)(2/(2

DLV

Pf

(3)

โดยท P คอ ผลตางความดนของของไหล

คอ ความหนาแนนของของไหล V คอ ความเรวเฉลยของของไหล L คอ ชวงความยาวทตองการศกษาเพอพจารณา

วดผลตางความดน การเพมสมประสทธการถายเทความรอนโดยการตด

กลมของ ฟน รบ รอยเวาหรอรอยนน สงทจะมผลตามมาคอการสญเสยความดนในระบบสงขน ซงจ าเปนตองเพมก าลงของปมหรอพดลมภายในระบบ สมรรถนะเชงความรอนซงนยามจากสมการสมการท (4) จะใชในการพจารณาการเพมของนสเซลตนมเบอรเทยบกบการสญเสยความดนทเพมขน แสดงอยในรปของ

3/10

0

//ffNuNu

(4)

โดยท Nu และ oNu คอนสเซลตนมเบอรเฉลยบน

พนผวทสนใจและนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ

Mainstream flow

Spherical protrusion

Attachment region

Circulation

Mixing region

Small circulation

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

14

วนอยกบทเปนบรเวณทมการถายเทความรอนต า และบรเวณทมการไหลแบบเกาะตดผนงอกครงเปนบรเวณทมการถายเทความรอนสง

รปท 5 แสดงลกษณะการไหลผานรอยนน (Protrusion)

ส าหรบโครงสรางการไหลของของไหลทผานรอย

เวาและรอยนนทกลาวมาขางตน จะมการเปลยนแปลงเลกนอย (ต าแหนงทเกาะตดผนงอกครงหรอขนาดของกระแสหมนวน) ขนอยกบความเรวของการไหลหลก

3. การค านวณหาอตราการถายเทความรอนบนพนผวและสมรรถนะเชงความรอน

ในการหาอตราการถายเทความรอนบนพนผวทมรอยเว าหรอรอยนนจะนยามโดยใชคานสเซลตนมเบอร (Nusselt number, Nu) ซงค านวณไดจากสมการ

khDNu (1)

เมอ h คอ คาสมประสทธการถายเทความรอนเฉพาะจดบนพนผว, k คอ คาสมประสทธการน าความรอนของของไหล โดยทวไปจะเปนน าหรออากาศ ส าหรบคา D คอ ขนาดเสนผานศนยกลางภายในของทอหรอขนาดเสนผานศนยกลางไฮดรอลกของหนาตดชองการไหล

ส าหรบคาสมประสทธการถายเทความรอนเฉพาะจด บนพนผว (h) สามารถค านวณไดจากสมการ

)( FW

lossesinput

TTAQQ

h

(2)

โดยท

inputQ คอ อตราการ จายความรอนบน พนผ วแลกเปลยนความรอน

lossesQ คอ อตราการสญเสยความรอนบนพนผว

แลกเปลยนความรอน A คอ พนทของพนผวแลกเปลยนความรอน

WT คอ อณหภมบนพนผวแลกเปลยนความรอน

FT คอ อณหภมของของไหล

ส าหรบนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวสามารถค านวณไดจากการเฉลยอณหภมบนพนผวถายเทความรอนแลวน าไปแทนในสมการท (2) ซงจะไดคาสมประสทธการถายเทความรอนเฉลย จากนนจงน ามาแทนในสมการท (1)

คาสมประสทธความเสยดทาน (f) ทเกดขนเนองจากการไหลภายในชองการไหลสามารถวดไดจากการวดผลตางความดนในชวงทสนใจ แลวน ามาแทนในสมการ

)/)(2/(2

DLV

Pf

(3)

โดยท P คอ ผลตางความดนของของไหล

คอ ความหนาแนนของของไหล V คอ ความเรวเฉลยของของไหล L คอ ชวงความยาวทตองการศกษาเพอพจารณา

วดผลตางความดน การเพมสมประสทธการถายเทความรอนโดยการตด

กลมของ ฟน รบ รอยเวาหรอรอยนน สงทจะมผลตามมาคอการสญเสยความดนในระบบสงขน ซงจ าเปนตองเพมก าลงของปมหรอพดลมภายในระบบ สมรรถนะเชงความรอนซงนยามจากสมการสมการท (4) จะใชในการพจารณาการเพมของนสเซลตนมเบอรเทยบกบการสญเสยความดนทเพมขน แสดงอยในรปของ

3/10

0

//ffNuNu

(4)

โดยท Nu และ oNu คอนสเซลตนมเบอรเฉลยบน

พนผวทสนใจและนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ

Mainstream flow

Spherical protrusion

Attachment region

Circulation

Mixing region

Small circulation

ส าหรบ f และ of คอสมประสทธความเสยดทานในชวง

ทสนใจและสมประสทธความเสยดทานในชวงทเปนพนผวเรยบ กรณระบบการถายเทความรอนทสนใจมคาสมรรถนะเชงความรอนสงกวาหนง แสดงวาอตราการเพมของการถายเทความรอนสงกวาอตราการเพมสมประสทธความเสยดทานในระบบ (การสญเสยความดนนอย ใชพลงงานนอยในการสรางการไหล) ซงระบบมความคมคาทจะน าไปใชงานจรง และในทางกลบกน กรณระบบการถายเทความรอนทสนใจมคาสมรรถนะเชงความรอนต ากวาหนง แสดงวาอตราการเพมของการถายเทความรอนต ากวาอตราการเพมสมประสทธความความเสยดทานในระบบ (การสญเสยความดนมาก ใชพลงงานมากในการสรางการไหล) ไมคมทจะน าระบบไปใชงานจรง

4. ผลของรปทรงและการจดเรยงของรอยเวาและรอยนนทมตอการไหลและการถายเทความรอนบนพนผว

ตามทไดกลาวมาแลวขางตน การออกแบบใหรอยเวา ใหเปนรปทรงหยดน าหรอแบบไมสมมาตร สามารถชวยลดขนาดของกระแสหมนวนทอยกบท ท าใหอตราการถายเทความรอนเพมขนเมอเทยบกบกรณรอยเวาแบบทรงกลมหรอแบบสมมาตร นอกจากน ทผานมานกวจยพยายามศกษารปทรงของรอยเวาหรอรอยนนรปแบบตาง ๆ ทมสวนชวยเพมการถายเทความรอนบนพนผว ในหวขอนจะกลาวถงผลของรปทรงและการจดเรยงของรอยเวาและรอยนนทมตอการไหลและการถายเทความรอนบนพนผว

รปท 6 แสดงลกษณะรอยเวาและรอยนนจากงานวจยของ

Xie et al. [1]

Xie et al. [1] ไดใชวธการจ าลองทางพลศาสตรของไหลศกษาลกษณะการไหลของอากาศผานรอยเวาและรอยนนแบบสมมาตรและแบบไมสมมาตรตามทไดแสดงในรปท 6 ประกอบดวย (a) รอยเวาแบบสมมาตร (b) รอยนนแบบสมมาตร (c) รอยเวาแบบไมสมมาตร (d) รอยนนแบบไมสมมาตรโดยสวนทเปนทรงกลมอยดานตนทางการไหล และ (e) รอยนนแบบไมสมมาตรโดยสวนทเปนทรงกลมอยดานปลายทางการไหล จากผลการศกษา (รปท 7) พบวาลกษณะการไหลของอากาศผานรอยเวาแบบสมมาตรท าใหเกดการไหลหมนวนภายในรอยเวา (รปท 7 (a)) สงผลท าใหบรเวณดงกลาวมการถายเทความรอนต า เมอออกแบบใหรอยเวาเปนแบบไมสมมาตร สงผลท าใหกระแสหมนวนดงกลาวหายไป (รปท 7 (c)) ซงมสวนชวยใหบรเวณดงกลาวมการถายเทความรอนเพมขน ส าหรบกรณรอยนนแบบสมมาตร (รปท 7 (b)) พบวา กระแสหมนวนเกดขนดานหลงบนพนผวรอยนนเมอออกแบบใหรอยนนเปนแบบไมสมมาตร โดยสวนทเปนทรงกลมอยดานตนทางการไหล (รปท 7 (d)) สงผลท าใหกระแสหมนทเกดขนดานหลงหายไป อยางไรกตาม ส าหรบกรณของรอยนนแบบไมสมมาตรโดยสวนทเปนทรงกลมอยดานปลายทางการไหล (รปท 7 (e)) จะพบวากระแสหมนวนทเกดขนคลายกบกรณรอยนนแบบสมมาตร

Flow

(e) teardrop protrusion with PE

14 15

85

รปท 7 แสดงลกษณะการไหลของอากาศผานรอยเวาและ

รอยนนจากงานวจยของ Xie et al. [1]

รปท 8 อตราสวนนสเซลตนมเบอรกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอนสเซลตนมเบอรพนผวเรยบ

(Nu/Nuo) เทยบกบอตราสวนสมประสทธความเสยดทานกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอสมประสทธ

ความเสยดทานของพนผวเรยบ (f/fo) [1]

จากงานวจยของ Xie et al. [1] ในสวนของการวด การถายเทความรอนและการสญเสยความดนภายในระบบพบวา สมรรถนะเชงความรอนกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรสงกวากรณแบบสมมาตร และเมอเทยบสมรรถนะเชงความรอนระหวางรอยเวาและรอยนนพบวา สมรรถนะเชงความรอนกรณของรอยเวาสงกวารอยนน ส าหรบรปท 8 แสดงอตราสวนนสเซลตนมเบอรกรณของรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอนสเซลตนมเบอรพนผวเรยบ (Nu/Nuo) เทยบกบอตราสวนสมประสทธความเสยดทานกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอสมประสทธความเสยดทานของพนผวเรยบ (f/fo)

จากรปพนทในกราฟถกแบงเปน 4 บรเวณ [8] โดยแตละบรเวณแสดงถงล าดบของสมรรถนะเชงความรอน คอ

สมรรถนะเชงความรอนดมากในบรเวณท 1 จากนนจะลดลงในบรเวณท 2, 3 และ 4 ตามล าดบ จากรปพบวา กรณรอยเว าแบบไมสมมาตรท Re=3,000 อยในชวงบรเวณท 1 ส าหรบกรณอน ๆ อยในบรเวณท 2

รปท 9 แสดงรอยเวาแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลม

(Spherical dimple) [9]

รปท 10 แสดงรอยเวาแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน า

(Teardrop dimple) [9]

Yoon et al. [9] ไดใชวธการจ าลองทางพลศาสตรของไหลศกษาลกษณะการไหลของอากาศผานรอยเวาแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลมตามทไดแสดงในรปท 9 และรอยเวาแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน าตามทไดแสดงในรปท 10 โดยศกษาผลของตวแปร a ทมผลตอการไหลและการถายเทความรอน (a คอความยาวจากศนยกลางรอยเวาถงขอบรอยเวาดานตนทางการไหล (Upstream) ดรปท 10 ประกอบ) จากผลการศกษาตามทไดแสดงในรปท 11 พบวา ระยะ a เพมขนมสวนชวยลดกระแสหมนวนทเกดขนบรเวณตนทางการไหล (Upstream) ของรอยเวา ซงการเพมของระยะ a ท าใหการถายเทความรอนเพมขน

Teardrop Dimple

Teardrop protrusion

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

16

รปท 7 แสดงลกษณะการไหลของอากาศผานรอยเวาและ

รอยนนจากงานวจยของ Xie et al. [1]

รปท 8 อตราสวนนสเซลตนมเบอรกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอนสเซลตนมเบอรพนผวเรยบ

(Nu/Nuo) เทยบกบอตราสวนสมประสทธความเสยดทานกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอสมประสทธ

ความเสยดทานของพนผวเรยบ (f/fo) [1]

จากงานวจยของ Xie et al. [1] ในสวนของการวด การถายเทความรอนและการสญเสยความดนภายในระบบพบวา สมรรถนะเชงความรอนกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรสงกวากรณแบบสมมาตร และเมอเทยบสมรรถนะเชงความรอนระหวางรอยเวาและรอยนนพบวา สมรรถนะเชงความรอนกรณของรอยเวาสงกวารอยนน ส าหรบรปท 8 แสดงอตราสวนนสเซลตนมเบอรกรณของรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอนสเซลตนมเบอรพนผวเรยบ (Nu/Nuo) เทยบกบอตราสวนสมประสทธความเสยดทานกรณรอยเวาและรอยนนแบบไมสมมาตรตอสมประสทธความเสยดทานของพนผวเรยบ (f/fo)

จากรปพนทในกราฟถกแบงเปน 4 บรเวณ [8] โดยแตละบรเวณแสดงถงล าดบของสมรรถนะเชงความรอน คอ

สมรรถนะเชงความรอนดมากในบรเวณท 1 จากนนจะลดลงในบรเวณท 2, 3 และ 4 ตามล าดบ จากรปพบวา กรณรอยเว าแบบไมสมมาตรท Re=3,000 อยในชวงบรเวณท 1 ส าหรบกรณอน ๆ อยในบรเวณท 2

รปท 9 แสดงรอยเวาแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลม

(Spherical dimple) [9]

รปท 10 แสดงรอยเวาแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน า

(Teardrop dimple) [9]

Yoon et al. [9] ไดใชวธการจ าลองทางพลศาสตรของไหลศกษาลกษณะการไหลของอากาศผานรอยเวาแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลมตามทไดแสดงในรปท 9 และรอยเวาแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน าตามทไดแสดงในรปท 10 โดยศกษาผลของตวแปร a ทมผลตอการไหลและการถายเทความรอน (a คอความยาวจากศนยกลางรอยเวาถงขอบรอยเวาดานตนทางการไหล (Upstream) ดรปท 10 ประกอบ) จากผลการศกษาตามทไดแสดงในรปท 11 พบวา ระยะ a เพมขนมสวนชวยลดกระแสหมนวนทเกดขนบรเวณตนทางการไหล (Upstream) ของรอยเวา ซงการเพมของระยะ a ท าใหการถายเทความรอนเพมขน

Teardrop Dimple

Teardrop protrusion

รปท 11 แสดงลกษณะการไหลหมนวนภายในรอยเวา

แบบสมมาตรและแบบไมสมมาตร [9]

Rao et al. [10] ไดศกษาการไหลและการถายเทความรอนบนพนผวโดยเปรยบเทยบอตราการถายเทความรอนระหวางกลมรอยเวาแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลมตามทไดแสดงในรปท 12 (รปบน) และรอยเวาแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน าตามทไดแสดงในรปท 12 (รปลาง) จากการวดการถายเทความรอนเฉลยบนพนผวพบวา รอยเวาแบบไมสมมาตรใหอตราการถายเทความรอนสงกวากรณแบบสมมาตร ส าหรบสมประสทธความเสยดทานของรอยเวาแบบไมสมมาตรมคาสงกวากรณแบบสมมาตร อยางไรกตาม เมอพจารณาสมรรถนะเชงความรอนของระบบพบวา รอยเวาแบบไมสมมาตรยงคงใหสมรรถนะเชงความรอนสงกวากรณแบบสมมาตร

ส าหรบการศกษาลกษณะการไหลและการถายเทความรอนโดยใชวธการจ าลองทางพลศาสตรของไหล คานสเซลตนมเบอรบนพนผวกรณรอยเวาแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลมไดแสดงในรปท 13 (รปบน) และกรณรอยเวาแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน าไดแสดงในรปท 13 (รปลาง) จากรปกรณรอยเวาแบบไมสมมาตรมบรเวณทการถายเทความรอนสงกวางกวากรณรอยเว าแบบสมมาตรอยางเหนไดชด นอกจากนเ มอพจารณาการกระจายของนสเซลตนมเบอรตามแนวศนยกลางรอยเวาตามทไดแสดงในรปท 14 ซงตดตามแนวเสนประในรปท

13 พบวานสเซลตนมเบอรกรณรอยเวาแบบไมสมมาตรสงกวากรณรอยเวาแบบสมมาตรอยางเหนไดชด ส าหรบรปท 15 แสดงผลการจ าลองการไหล จากรปพบวา การไหลหมนวนเกดขนภายในรอยเวาแบบสมมาตร ส าหรบกรณรอยเวาแบบไมสมมาตรพบวา การไหลหมนวนถกท าลาย ซงเปนสาเหตท าใหการถายเทความรอนบนพนผวสงขน

รปท 12 แสดงการจดเรยงของรอยเวาแบบสมมาตร

(รปบน) และแบบไมสมมาตร (รปลาง) [10]

รปท 13 การกระจายของนสเซลตนมเบอรบนพนผวทม

รอยเวาแบบสมมาตรและแบบไมสมมาตร [10]

รปท 14 นสเซลตนมเบอรตามแนวศนยกลางรอยเวาซงได

จากเสนประในรปท 13 [10]

FlowFlow

FlowFlow

16 17

85

รปท 15 แสดงลกษณะการไหลหมนวนภายในรอยเวา แบบสมมาตร (รปบน) และแบบไมสมมาตร (รปลาง)

[10]

นอกจากน Rao et al. [11] ไดศกษาผลของรปทรง รอยเวาแบบวงรตามทไดแสดงในรปท 16 โดยพจารณาผลของวงรแบบตรงและวงรแบบเอยงท ามมกบแนวการไหลโดยเทยบกบกรณรอยนนแบบวงกลมและแบบหยดน าตามทไดศกษามากอนหนาน จากผลการทดลองพบวา อตราการถายเทความรอนกรณรอยเวารปทรงวงรทงสองแบบมคาต ากวามากเมอเทยบกบกรณรปทรงหยดน า และกรณดงกลาวมคาต ากวาเลกนอยเมอเทยบกบกรณรป ทรงกลม อยางไรกตาม ส าหรบอตราสวนการสญเสยความดนเมอเทยบกบพนผวเรยบพบวา กรณรอยเวารปทรงวงรแบบตรงและวงรแบบเอยงท ามมกบแนวการไหล มคาใกลเคยงกบกรณรอยเวารปทรงกลม ส าหรบกรณรอยเวารปทรงหยดน ามคาอตราสวนการสญเสยความดนสงสด

รปท 16 รปทรงรอยเวา (a) แบบวงกลม (b) หยดน า (c)

วงรและ (d) วงรแบบเอยงท ามมกบแนวการไหล [11]

Katkhaw et al. [12] ไดเปรยบเทยบการถายเทความรอนบนพนผวทมกลมของรอยเวาแบบวงรทมการจดเรยงแบบแถว (Inline) ตามทไดแสดงในรปท 17 และจดเรยงแบบสลบ (Staggered) ตามทไดแสดงในรปท 18 จากการศกษาพบวาการจดเรยงแบบสลบมอตราการถายเทค ว าม ร อน เฉ ล ย ส ง ส ด (Maximum average heat

transfer) สงกวากรณจด เ รยงแบบแถว นอกจากน Katkhaw et al. [12] ไดท าการเปรยบเทยบกบกรณรอยเวาแบบทรงกลมพบวา อตราการถายเทความรอนบนพนผวเฉลยของรอยเวาแบบทรงกลมมคาสงกวากรณรอยเวาแบบวงรท งกรณทจดเรยงแบบแถวและจดเรยงแบบสลบ

จากงานวจยของ Rao et al. [11] และ Katkhaw et

al. [12] สามารถสรปไดวากรณรอยเวาแบบวงรไมชวยใหการถายเทความรอนบนพนผวเพมสงกวารอยเวารปทรงกลม

รปท 17 แสดงกลมของรอยเวาแบบวงรทมการจดเรยง

แบบแถว (Inline) โดย Katkhaw et al. [12]

รปท 18 แสดงกลมของรอยเวาแบบวงรทมการจดเรยง แบบสลบ (Staggered) โดย Katkhaw et al. [12]

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

18

รปท 15 แสดงลกษณะการไหลหมนวนภายในรอยเวา แบบสมมาตร (รปบน) และแบบไมสมมาตร (รปลาง)

[10]

นอกจากน Rao et al. [11] ไดศกษาผลของรปทรง รอยเวาแบบวงรตามทไดแสดงในรปท 16 โดยพจารณาผลของวงรแบบตรงและวงรแบบเอยงท ามมกบแนวการไหลโดยเทยบกบกรณรอยนนแบบวงกลมและแบบหยดน าตามทไดศกษามากอนหนาน จากผลการทดลองพบวา อตราการถายเทความรอนกรณรอยเวารปทรงวงรทงสองแบบมคาต ากวามากเมอเทยบกบกรณรปทรงหยดน า และกรณดงกลาวมคาต ากวาเลกนอยเมอเทยบกบกรณรป ทรงกลม อยางไรกตาม ส าหรบอตราสวนการสญเสยความดนเมอเทยบกบพนผวเรยบพบวา กรณรอยเวารปทรงวงรแบบตรงและวงรแบบเอยงท ามมกบแนวการไหล มคาใกลเคยงกบกรณรอยเวารปทรงกลม ส าหรบกรณรอยเวารปทรงหยดน ามคาอตราสวนการสญเสยความดนสงสด

รปท 16 รปทรงรอยเวา (a) แบบวงกลม (b) หยดน า (c)

วงรและ (d) วงรแบบเอยงท ามมกบแนวการไหล [11]

Katkhaw et al. [12] ไดเปรยบเทยบการถายเทความรอนบนพนผวทมกลมของรอยเวาแบบวงรทมการจดเรยงแบบแถว (Inline) ตามทไดแสดงในรปท 17 และจดเรยงแบบสลบ (Staggered) ตามทไดแสดงในรปท 18 จากการศกษาพบวาการจดเรยงแบบสลบมอตราการถายเทค ว าม ร อน เฉ ล ย ส ง ส ด (Maximum average heat

transfer) สงกวากรณจด เ รยงแบบแถว นอกจากน Katkhaw et al. [12] ไดท าการเปรยบเทยบกบกรณรอยเวาแบบทรงกลมพบวา อตราการถายเทความรอนบนพนผวเฉลยของรอยเวาแบบทรงกลมมคาสงกวากรณรอยเวาแบบวงรท งกรณทจดเรยงแบบแถวและจดเรยงแบบสลบ

จากงานวจยของ Rao et al. [11] และ Katkhaw et

al. [12] สามารถสรปไดวากรณรอยเวาแบบวงรไมชวยใหการถายเทความรอนบนพนผวเพมสงกวารอยเวารปทรงกลม

รปท 17 แสดงกลมของรอยเวาแบบวงรทมการจดเรยง

แบบแถว (Inline) โดย Katkhaw et al. [12]

รปท 18 แสดงกลมของรอยเวาแบบวงรทมการจดเรยง แบบสลบ (Staggered) โดย Katkhaw et al. [12]

5. การไหลและการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนทมรอยเวาและรอยนน

การไหลของเจททกระทบพนผว เปนการไหลของของไหลทออกจากหวฉดแลวบงคบใหชนพนผวตามทแสดงในรปท 19 การของไหลของเจททกระทบพนผวเปนการเปลยนทศทางการไหลจากแนวตงฉากกบพนผวเปนการไหลแนวขนานกบพนผว ชนขอบเขตการไหลจะบางมากบรเวณทเจทกระทบโดยตรงและความหนาของชนขอบ เขต เ พ ม ขนตามการ เ พ ม ขนของระยะจากศนยกลางทเจทพงชน (Stagnation point) ทต าแหนงน อตราการถายเทความรอนบนพนผ วมค าสงสดทต าแหนงศนยกลางทเจทพงชนโดยตรง จากนนอตราการถายเทความรอนมคาลดลงตามการเพมขนของระยะจากศนยกลางทเจทพงชน [13-15] แนวคดในการเพมอตราการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนสามารถท าไดโดยการเพมโมเมนตมในการพงชนพนผว หรอเพมความปนปวนของการไหลภายในเจท นอกจากนวธการท าใหพนผวทเจ ทพ งชนมรอยนนหรอเวาสามารถชวยเพมอตราการถายเทความรอนไดเชนกน [16-17] หลาย ๆ

งานวจยพยายามศกษาเกยวกบแนวทางการเพมอตราการถายเทความรอนบนพนผวทเจ ทพ งชนโดยการท าใหพ น ผ ว ม ร อ ย เ ว า แ ล ะ น น ต า ม ท จ ะ ก ล า ว ต อ ไ ป ส าหรบนสเซลตนมเบอรบนพนผวทเจทพงชนจะใชคา D ตามทแสดงในสมการท (1) เ ปนขนาดเส นผ านศนยกลางภายในปากทางออกเจท ซงจะแตกตางจากกรณ การคด นสเซลตนมเบอรของรอยเวาและรอยนนภายในชองการไหลตามทไดกลาวมาแลว

รปท 19 ลกษณะการไหลของเจทพงชนพนผว

Woei et al. [16] ไดศกษาการถายเทความรอน

บนพนผวทเจทพงชน รายละเอยดในการทดลองแสดงในรปท 20 จากรปโมเดลทใชในการทดลองเปนแบบกลมเจททเรยงแบบแถวพงชนตงฉากบนพนผวทมกลมรอยนน ตวแปรหลกทใชพจารณาในการทดลองคอระยะหางระหวางศนยกลางเจทและศนยกลางรอยนน (E) จากการทดลองพบวาทระยะ E มคาเปน 1/2 เทาของระยะหางระหวางรอยนน (ศนยกลางเจทอยต าแหนงกงกลางระหวางรอยนน) มคาการถายเทความรอนสงกวากรณศนยกลางเจทตรงกบศนยกลางรอยนน (E=0)

Chang et al. [17] ได ใ ช ช ดทดลอง เ ด ย วก บ

Woei et al. [16] ศกษากรณทพนผวเปนแบบรอยเวาตามทไดแสดงรายละเอยดในรปท 21 จากผลการทดลองพบวาแนวโนมอตราการถายเทความรอนบนพนผวทระยะ E มคาเปน 1/2 เทาของระยะหางระหวางรอยเวาสงกว ากรณทศนยกลางเจทตรงกบศนยกลางรอยเวา (E=0) เหมอนกบผลการทดลองงานวจยกอนหนาน

เมอเปรยบเทยบผลการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนบนพนผวทมรอยนนจากงานวจยของ Woei

et al. [16] และพนผวรอยเวาจากงานวจยของ Chang

et al. [17] พบวาแนวโนมเจทพงชนบนพนผวรอยนนมคาสงกวาพนผวรอยเวา

Free jet region

Potentialcore

Boundary layer

Stagnation Region Wall jet regionWall jet region

Impingement surface

Nozzle

r

18 19

85

รปท 20 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวรอยนน

Woei et al. [16]

รปท 21 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวรอยเวาของ

Chang et al. [17]

Kanokjaruvijit และ Martinez-Botas [18] ไดใช Thermochromic Liquid Crystal วดการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนโดยใชวธแบบสภาวะไมคงตว (Transient technique) รายละเอยดและตวแปรทใชในการทดลองแสดงในรปท 22 ในทน Dd คอขนาดเสนผานศนยกลางภาพฉายของรอยเวา จากผลการศกษาพบวาความลกของรอยเวา d/Dd=0.15 ใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวสงกวาทระยะ d/Dd=0.25

และพนผวเรยบตามทไดแสดงในรปท 23

รปท 22 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวรอยเวา Kanokjaruvijit และ Martinez-Botas [18]

รปท 23 ผลของความลกของรอยเวาทมตอการถายเท

ความรอนบนพนผวโดย Kokjaruvijit และ Martinez-Botas [18]

รปท 24 แสดงต าแหนงเจท (วงกลมกลมทบ) และ

ต าแหนงรอยเวา (วงกลมกลวง) [19]

Xing และ Weigand [19] ไดศกษาการถายเทความรอนของเจททพงชนบนพนทมกลมรอยเวาคลายก บ ง านว จ ย ข อ ง Kanokjaruvijit และ Martinez-

Botas [18] รปท 24 แสดงต าแหนงของรอยเวาบนพนผวทเจทพงชน จากรปวงกลมกลมทบคอต าแหนงเจท และวงกลมกลวงคอต าแหนงรอยเวา ซงต าแหนงรอยเวาตรงกบศนยกลางเจทและอยระหวางเจท ส าหรบรปท 25

แสดงอตราสวนนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวาและนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ จากรปพบวาทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต าสด H/Dj=3 (Dj คอขนาดเสนผานศนยกลางภายในทอเจท) นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวาใหคาสงกวากรณทระยะ H/Dj=4 และ 5 ส าหรบกรณชองระบายเปดสองชอง (กราฟตรงกลางของรปท 25)

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

20

รปท 20 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวรอยนน

Woei et al. [16]

รปท 21 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวรอยเวาของ

Chang et al. [17]

Kanokjaruvijit และ Martinez-Botas [18] ไดใช Thermochromic Liquid Crystal วดการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนโดยใชวธแบบสภาวะไมคงตว (Transient technique) รายละเอยดและตวแปรทใชในการทดลองแสดงในรปท 22 ในทน Dd คอขนาดเสนผานศนยกลางภาพฉายของรอยเวา จากผลการศกษาพบวาความลกของรอยเวา d/Dd=0.15 ใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวสงกวาทระยะ d/Dd=0.25

และพนผวเรยบตามทไดแสดงในรปท 23

รปท 22 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวรอยเวา Kanokjaruvijit และ Martinez-Botas [18]

รปท 23 ผลของความลกของรอยเวาทมตอการถายเท

ความรอนบนพนผวโดย Kokjaruvijit และ Martinez-Botas [18]

รปท 24 แสดงต าแหนงเจท (วงกลมกลมทบ) และ

ต าแหนงรอยเวา (วงกลมกลวง) [19]

Xing และ Weigand [19] ไดศกษาการถายเทความรอนของเจททพงชนบนพนทมกลมรอยเวาคลายก บ ง านว จ ย ข อ ง Kanokjaruvijit และ Martinez-

Botas [18] รปท 24 แสดงต าแหนงของรอยเวาบนพนผวทเจทพงชน จากรปวงกลมกลมทบคอต าแหนงเจท และวงกลมกลวงคอต าแหนงรอยเวา ซงต าแหนงรอยเวาตรงกบศนยกลางเจทและอยระหวางเจท ส าหรบรปท 25

แสดงอตราสวนนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวาและนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ จากรปพบวาทระยะจากปากทางออกเจทถงพนผวทเจทพงชนต าสด H/Dj=3 (Dj คอขนาดเสนผานศนยกลางภายในทอเจท) นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวาใหคาสงกวากรณทระยะ H/Dj=4 และ 5 ส าหรบกรณชองระบายเปดสองชอง (กราฟตรงกลางของรปท 25)

พบว าน สเซลตนม เบอรเฉลยบนพนผวทม รอยเวาม

คาต ากวาเมอเทยบกบกรณพนผวเรยบอยางเหนไดชด

รปท 25 อตราสวนนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวาตอดวยนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ [19]

Ekkad และ Kontrovitz [20] เปนผรเ รมศกษา

การถายเทความรอนของเจทพงชนบนพนผวทมรอยเวา รปท 26 แสดงชดทดลองทใชในการศกษา ในการจดเรยงของเจทเปนแบบแถวตรงโดยเจทพงชนบนรอยเวาโดยตรงและระหวางรอยเวาตามทไดแสดงในรปท 27 จากผลการทดลองแสดงในรปท 28 พบวา นสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวามคาต ากวาเมอเทยบกบนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบทกกรณ การลดลงของอตราการถายเทความรอนดงกลาว Ekkad

และ Kontrovitz ใหเหตผลวาการไหลบนพนผวผานรอยเวาท าใหเกดความปนปวน (Bursting phenomena)

ทไปรบกวนการไหลของเจทกอนพงชนพนผว จากการวเคราะหโมเดลของชดทดลองของ Ekkad

และ Kontrovitz [20] พบวา อตราสวนระหวางเสนผานศนยกลางของรอยเวาเทยบกบเสนผานศนยกลางของปากทางออกเจท (D/d) มขนาดใหญเปน D/d=20

ในขณะทง านว จ ย ขอ ง Chang et al. [17] ม ขน าด D/d=4 แ ล ะ ง า น ว จ ย ข อ ง Kanokjaruvijit แ ล ะ Martinez-Botas [18] มขนาด D/d=0.87 และ 2 ซงงานวจยทงสองกรณหลงใหนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวาสงกวาเมอเทยบกบนสเซลตนมเบอรเฉล ยบนพนผ ว เรยบ (ผลของ Kanokjaruvijit และ Martinez-Botas [18] มบางกรณเทานนทน สเซลต -

นมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยเวามคาต ากวาเมอเทยบกบน สเซลต น มเบอรเฉล ยบนพนผ ว เรยบ) จากการวเคราะหนจะเหนไดวาขนาดเสนผานศนยกลางของรอยนนเมอเทยบกบขนาดเสนผานศนยกลางเจ ททอยอยในชวง D/d=20 จะใหการถายเทความรอนบนพนผวทเจทพงชนต า

รปท 26 โมเดลของเจทพงชนบนพนผวของ Ekkad และ Kontrovitz [20]

รปท 27 ซาย: เจทพงชนบนรอยเวาโดยตรง ขวา: เจทพงชนระหวางรอยเวา [20]

1.1

1.0

0.9

0.815,000 25,000 35,000 15,000 25,000 35,000 15,000 25,000 35,000

Exit

Exit Exit

Exit

Exit

Exit

H/Dj=4

Re

ExitConfinement wall

Confinement wall

Confinement wall

Impingement plate

H/Dj=3

H/Dj=5

20 21

85

รปท 28 อตราสวนนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทม รอยเวาตอดวยนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ

[20] 6. การไหลและการถายเทความรอนภายในทอทมรอยเวา

นกวจยไดพยายามศกษาการถายเทความรอนของของไหลผานทอเพอเพมประสทธภาพเชงความรอนของอปกรณแลก เป ล ยนความ รอน (Heat exchanger)

แนวทางหนงของการเพมอตราการถายเทความรอนภายในทอคอการท าใหพนผวภายในทอเปนรอยนน ส าหรบ

ตวแปรตาง ๆ ทมผลตอการเพมอตราการถายเทความรอนผานทอทจ าเปนตองศกษา คอ ผลของรปรางรอยนน ขนาดของรอยนนเมอเทยบกบเสนผานศนยกลางทอ จ านวนของรอยนนเทยบทระนาบหนาตดทอเดยวกน ระยะหางระหวางรอยนน เปนตน [21-25] ตอไปนเปนตวอยางงานวจยทไดศกษาเกยวกบตวแปรขางตน

Chen et al. [21] ไดศกษาการถายเทความรอนของน าทไหลภายในทอทมรอยนน รายละเอยดของ ตวแปรทใชในการทดลองแสดงในรปท 29 ผลการทดลองแสดงในรปท 30 พบว าอตราสวนระหวางสมประสทธการถายเทความรอนตอสมประสทธความเสยดทานของทอ Tube-1 และ Tube-6 มค าสงกวากรณอ น ๆ เ น องจากเ ง อนไขของทอ Tube-1 และ Tube-6 มจ านวนรอยนน 3 ต าแหนง ในขณะทตวแปรอน ๆ มรอยนน 4 และ 6 ต าแหนง ซงแสดงใหเหนวาทอทมรอยนน 3 ต าแหนงสามารถเพมการถายเทความรอนโดยทสมประสทธความเสยดทานเกดขนนอย

รปท 29 โมเดลและรายละเอยดทใชในการทดลองของทอทมรอยนนของ Chen et al. [21]

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

22

รปท 28 อตราสวนนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทม รอยเวาตอดวยนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ

[20] 6. การไหลและการถายเทความรอนภายในทอทมรอยเวา

นกวจยไดพยายามศกษาการถายเทความรอนของของไหลผานทอเพอเพมประสทธภาพเชงความรอนของอปกร ณแลก เป ล ยนความ รอน (Heat exchanger)

แนวทางหนงของการเพมอตราการถายเทความรอนภายในทอคอการท าใหพนผวภายในทอเปนรอยนน ส าหรบ

ตวแปรตาง ๆ ทมผลตอการเพมอตราการถายเทความรอนผานทอทจ าเปนตองศกษา คอ ผลของรปรางรอยนน ขนาดของรอยนนเมอเทยบกบเสนผานศนยกลางทอ จ านวนของรอยนนเทยบทระนาบหนาตดทอเดยวกน ระยะหางระหวางรอยนน เปนตน [21-25] ตอไปนเปนตวอยางงานวจยทไดศกษาเกยวกบตวแปรขางตน

Chen et al. [21] ไดศกษาการถายเทความรอนของน าทไหลภายในทอทมรอยนน รายละเอยดของ ตวแปรทใชในการทดลองแสดงในรปท 29 ผลการทดลองแสดงในรปท 30 พบว าอตราสวนระหวางสมประสทธการถายเทความรอนตอสมประสทธความเสยดทานของทอ Tube-1 และ Tube-6 มค าสงกวากรณอ น ๆ เ น องจากเ ง อนไขของทอ Tube-1 และ Tube-6 มจ านวนรอยนน 3 ต าแหนง ในขณะทตวแปรอน ๆ มรอยนน 4 และ 6 ต าแหนง ซงแสดงใหเหนวาทอทมรอยนน 3 ต าแหนงสามารถเพมการถายเทความรอนโดยทสมประสทธความเสยดทานเกดขนนอย

รปท 29 โมเดลและรายละเอยดทใชในการทดลองของทอทมรอยนนของ Chen et al. [21]

รปท 30 อตราสวนนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวทมรอยนนตอดวยนสเซลตนมเบอรเฉลยบนพนผวเรยบ

[21]

Wang et al. [23] ไดศกษาการถายเทความรอนภายในทอทมรอยนนเปนรปทรงกลมและทรงรตามทไดแสดงในรปท 31 และ 32 ในการทดลองไดใชน ารอนทมอณหภมคงทใหความรอนพนผวภายนอกทอและใหอากาศทมอตราการไหลคงทไหลภายในทอ จากนน ท าการวดอตราการแลกเปลยนความรอนและการสญเสยความดนของอากาศทไหลผานทอ รปท 33 แสดงการเปรยบเทยบสมรรถนะเชงความรอนระหวางทอทงสองพบวา ทอทมรอยนนแบบทรงรใหสมรรถนะเชงความรอนสงกวาทอทมรอยนนแบบทรงกลม เนองจากลกษณะของรอยนนแบบทรงรมพนทการแลกเปลยนความรอนกว า งกว า เ ม อ เท ยบกบกรณรอยนนแบบทรงกลม นอกจากนทอทม รอยนนแบบทรงรสามารถชวยลดสมประสทธความเสยดทานเมอเทยบกบกรณทอทม รอยนนแบบทรงกลม ท าใหสามารถเพมสมรรถนะเชงความรอนสงกวาทอทมรอยนนแบบทรงกลม

งานวจยสวนมากศกษาการเพมการถายเทความรอนภายในทอทมรอยนน เพราะสามารถสรางรอยนนภายในทอไดงายเพยงกดทอจากภายนอก อยางไรกตาม หากสามารถพฒนาสรางรอยเวาภายในทอได อาจจะท าใหสามารถเพมสมรรถนะเชงความรอนภายในทอไดสงขน เนองจากภายในชองการไหลแบบปดรอยเวามสมประสทธความเสยดทานทเกดจากการไหลนอยกวารอยนน

รปท 31 ลกษณะทอทมรอยนนแบบทรงกลมโดย

Wang et al. [23]

รปท 32 ลกษณะทอทมรอยนนแบบทรงรโดย

Wang et al. [23]

รปท 33 เปรยบเทยบสมรรถนะเชงความรอนระหวางทอ

ทมรอยนนแบบทรงกลมและทรงรโดย Wang et al. [23]

7. สทธบตร

ในหวขอนจะกลาวถงตวอยางสทธบตรทออกแบบอปกรณดานความรอนใหพนผวแลกเปลยนความรอนมรอยเวาและรอยนน เพอเพมประสทธภาพเชงความรอนใหสงขน

Thomas [26] ไดออกแบบอปกรณแลกเปลยนความรอนขนาดเลกตามทไดแสดงในรปท 34 โดยออกแบบใหพนผวแลกเปลยนความรอนเปนรอยเว า เพอเพมอตราการถายเทความรอน

22 23

85

รปท 34 อปกรณแลกเปลยนความรอนขนาดเลก ทออกแบบใหมรอยเวาโดย Thomas [26]

Egidio และ Leroy [27] ไดออกแบบซงระบาย

ความรอนแบบครบทใชระบายความรอนในอปกรณอเลกทรอนกส โดยแผนครบแตละแผนออกแบบใหเปนรอยเวาดงแสดงในรปท 35 เพอเพมอตราการถายเทความรอน

รปท 35 ซงระบายความรอนแบบครบทมรอยเวา

โดย Egidio และ Leroy [27]

Stewart [28] ไดออกแบบอปกรณแลกเปลยน ความรอนตามทไดแสดงในรปท 36 โดยทอแลกเปลยนความรอนแตละเสนออกแบบใหเปนรอยนน (รปทอยในกรอบ) เพอเพมอตราการถายเทความรอน

รปท 36 อปกรณแลกเปลยนความรอนทมการออกแบบ

ภายในทอใหมรอยเวา [28]

Jeon [29] ไดออกแบบอปกรณแลกเปลยนความรอนทใชในรถยนตหรอเรยกวาหมอน า (Radiator) ตามทไดแสดงในรปท 37 (ซาย) โดยทอแลกเปลยนความรอนแตละเสนออกแบบใหเปนรอยเวาดงแสดงในรปท 37 (ขวา) เพอเพมอตราการถายเทความรอน

รปท 37 อปกรณแลกเปลยนความรอนทมการออกแบบ

ภายในทอใหมรอยเวา [29] 8. สรป

การท าใหพนผวเปนรอยเวาหรอรอยนน สามารถชวยเพมสมประสทธการถายเทความรอนบนพนผว เนองจากการไหลผานพนผวทมรอยเวาหรอรอยนนจะเกดการไหลแบบแยกตว การไหลเกาะตดผนงอกครง และการไหลหมนวน ท าใหเกดการไหลแบบปนปวนทไปท าลายชนขอบเขตการไหลบนพนผว สงผลท าใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวสงขน อยางไรกตาม ในการตอยอดงานวจยหรอน าไปใชงานจะตองค านงถงตวแปรตาง ๆ ซงสามารถสรปไดดงน

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

24

รปท 34 อปกรณแลกเปลยนความรอนขนาดเลก ทออกแบบใหมรอยเวาโดย Thomas [26]

Egidio และ Leroy [27] ไดออกแบบซงระบาย

ความรอนแบบครบทใชระบายความรอนในอปกรณอเลกทรอนกส โดยแผนครบแตละแผนออกแบบใหเปนรอยเวาดงแสดงในรปท 35 เพอเพมอตราการถายเทความรอน

รปท 35 ซงระบายความรอนแบบครบทมรอยเวา

โดย Egidio และ Leroy [27]

Stewart [28] ไดออกแบบอปกรณแลกเปลยน ความรอนตามทไดแสดงในรปท 36 โดยทอแลกเปลยนความรอนแตละเสนออกแบบใหเปนรอยนน (รปทอยในกรอบ) เพอเพมอตราการถายเทความรอน

รปท 36 อปกรณแลกเปลยนความรอนทมการออกแบบ

ภายในทอใหมรอยเวา [28]

Jeon [29] ไดออกแบบอปกรณแลกเปลยนความรอนทใชในรถยนตหรอเรยกวาหมอน า (Radiator) ตามทไดแสดงในรปท 37 (ซาย) โดยทอแลกเปลยนความรอนแตละเสนออกแบบใหเปนรอยเวาดงแสดงในรปท 37 (ขวา) เพอเพมอตราการถายเทความรอน

รปท 37 อปกรณแลกเปลยนความรอนทมการออกแบบ

ภายในทอใหมรอยเวา [29] 8. สรป

การท าใหพนผวเปนรอยเวาหรอรอยนน สามารถชวยเพมสมประสทธการถายเทความรอนบนพนผว เนองจากการไหลผานพนผวทมรอยเวาหรอรอยนนจะเกดการไหลแบบแยกตว การไหลเกาะตดผนงอกครง และการไหลหมนวน ท าใหเกดการไหลแบบปนปวนทไปท าลายชนขอบเขตการไหลบนพนผว สงผลท าใหอตราการถายเทความรอนบนพนผวสงขน อยางไรกตาม ในการตอยอดงานวจยหรอน าไปใชงานจะตองค านงถงตวแปรตาง ๆ ซงสามารถสรปไดดงน

1. การท าใหพนผวเปนรอยนนมผลท าใหการถายเทความรอนโดยเฉลยท งระบบสงกวารอยเวา ส าหรบการไหลภายในชองการไหลปด เชน อโมงคลมหรอทอ ผลของรอยนนซงเปนสวนทยนเขาไปในชองการไหลท าใหสมประสทธความเสยดทานภายในระบบเพมขน ซงแตกตางจากกรณรอยเวา เนองจากไมมสวนทยนเขาไปในการไหลท าใหสมประสทธความเสยดทานมคานอยกวาเมอเทยบกบกรณของรอยนน อยางไรกตามการสมประสทธการถายเทความรอนทไดไมสงเทากรณของรอยเวา แตเมอพจารณาสมรรถนะเชงความรอนกรณของรอยเวามคา สงกวารอยนน

2. การออกแบบใหพนผวรอยเวาหรอรอยนนเปนแบบไมสมมาตรหรอแบบหยดน า มผลท าใหการถายเทความรอนบนพนผวสงกวากรณรอยเวาหรอรอยนนแบบสมมาตรหรอแบบทรงกลม เนองจากรปทรงหยดน าชวยลดกระแสไหลวนทอยกบท

3. ในการออกแบบรอยเวาหรอรอยนนบนพนผวทเจทพงชน พบวา ถาอตราสวนระหวางเสนผานศนยกลางของรอยเวาหรอรอยนน (D) เทยบกบเสนผานศนยกลางของปากทางออกเจท (d) ท อย ใน ชวง D/d=20 จะใหนสเซลตนมเบอรบนพนผวต ากวากรณพนผวเรยบ อตราสวนดงกลาวทใหคานสเซลตนมเบอรบนพนผวสงกวากรณพนผวตองอยในชวงประมาณ 1≤ D/d≤4

4. ส าหรบงานวจยทเกยวของกบการไหลภายในทอพบวา งานวจยสวนมากศกษากรณรอยนน เพราะสามารถสรางไดงายโดยการกดผวทอจากภายนอกกสามารถท าใหเกดรอยนนภายในทอได หากสามารถพฒนาสรางรอยเวาภายในทออาจจะท าใหสมรรถนะเชงความรอนสงกวากรณรอยนน เพราะการไหลภายในทอ รอยเวามสมประสทธความเสยดทานนอยกวารอยนน

เอกสารอางอง

[1] Xie, Y., Qu, H. and Zhang, D. Numerical investigation of flow and heat transfer in rectangular channel with teardrop dimple/protrusion. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015; 84: 486-496.

[2] Chang, S.W., Chiang, K.F., Yang, T.L. and Huang, C.C. Heat transfer and pressure drop in dimpled fin channels. Experimental Thermal and Fluid Science, 2008; 33(1): 23-40.

[3] Li, P., Zhang, D. and Xie, Y. Heat transfer and flow analysis of Al2O3–water nanofluids in microchannel with dimple and protrusion. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014; 73: 456-467.

[4] Chen, Y., Chew, Y.T. and Khoo, B.C. Heat transfer and flow structure on periodically dimple–protrusion patterned walls in turbulent channel flow. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014; (78): 871-882.

[5] Siddique, W., Khan, N.A. and Haq, I. Analysis of numerical results for two-pass trapezoidal channel with different cooling configurations of trailing edge: The effect of dimples. Applied Thermal Engineering, 2015; 89(5): 763-771.

[6] Griffith, T.S, Al-Hadhrami, L. and Han, J.-C. Heat transfer in rotating rectangular cooling channels (AR=4) with dimples. Journal of Turbomachinery, 2003; 125(3): 555-563.

[7] Chen, Y., Chew, Y.T. and Khoo, B.C. Enhancement of heat transfer in turbulent channel flow over dimpled surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012; 55(25-26): 8100-8121.

[8] Fan, J.F., Ding, W.K., He, Y.L. and Tao, W.Q. Three-dimensional numerical study of fluid and heat transfer characteristics of dimpled fin surfaces. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications: An International Journal of Computation and Methodology, 2012; 62(4): 271-294.

24 25

85

[9] Yoon, H.S., Park, S.H., Choi, C. and Ha, M.Y. Numerical study on characteristics of flow and heat transfer in a cooling passage with a tear-drop dimple surface. International Journal of Thermal Sciences, 2015; 89: 121-135.

[10] Rao, Y., Li, B. and Feng, Y. Heat transfer of turbulent flow over surfaces with spherical dimples and teardrop dimples. Experimental Thermal and Fluid Science, 2015; 61: 201-209.

[11] Rao, Y., Feng, Y. and Li, B. (2015). Experimental and numerical study of heat transfer and flow friction in channels with dimples of different shapes. Journal of Heat Transfer, 2015; 137(3): 1-10.

[12] Katkhaw, N., Vorayos, N., Kiatsiriroat, T., Khunatorn, Y., Bunturat, D. and Nuntaphan, A. Heat transfer behavior of flat plate having 45o ellipsoidal dimpled surfaces. Case Studies in Thermal Engineering, 2014; 2: 67-74.

[13] Viskanta, R. Heat transfer to impinging isothermal gas and flame jets. Experimental Thermal and Fluid Science, 1993; 68(2): 111-134.

[14] Jambunathan, K., Lai, E., Moss, M.A. and Button, B.L. A review of heat transfer data for single circular jet impingement. International Journal of Heat and Fluid Flow, 1992; 13(2): 106-115.

[15] Ashforth-Frost, S., Jambunathan, K. and Whitney, C.F. Velocity and turbulence characteristics of a semiconfined orthogonally impinging slot jet. Experimental Thermal and Fluid Science, 1997; 14(1): 60-67.

[16] Chang, S.W., Jan, Y.J. and Chang, S.F. Heat transfer of impinging jet-array over convex-dimpled surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006; 49(17-18): 3045-3059.

[17] Chang, S.W., Chiou, S.F. and Chang, S.F. Heat transfer of impinging jet array over concave-dimpled surface with applications to cooling of electronic chipsets. Experimental Thermal and Fluid Science, 2007; 31(7): 625-640.

[18] Kanokjaruvijit, K. and Martinez-Botas, R.F. Heat transfer correlations of perpendicularly impinging jets on a hemispherical-dimpled surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010; 53(15–16): 3045–3056.

[19] Xing, Y. and Weigand, B. Experimental investigation of impingement heat transfer on a flat and dimpled plate with different crossflow schemes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010; 53(19-20): 3874–3886.

[20] Ekkad, S. and Kontrovitz, D. Jet impingement heat transfer on dimpled target surfaces. International Journal of Heat and Fluid Flow, 1993; 23(1): 22-28.

[21] Chen, J., Muller-Steinhagen, H. and Duffy, G. Heat transfer enhancement in dimpled tubes. Applied Thermal Engineering, 2001; 21(5): 535-547.

[22] Vicente, P.G., Garcia, A. and Viedma, A. Heat transfer and pressure drop for low Reynolds turbulent flow in helically dimpled tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002; 45(26): 543-553.

[23] Wang, Y., He, Y.-L., Lei, Y.-G. and Zhang, J. Heat transfer and hydrodynamics analysis of a novel dimpled tube. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010; 34(8): 1273-1281.

[24] Garcia, A., Solano, J.P., Vicente, P.G. and Viedma, A. The influence of artificial roughness shape on heat transfer enhancement: Corrugated tubes, dimpled tubes and wire coils. Applied Thermal Engineering, 2012; 35: 196-201.

[25] Huang, Z.G., Yu, L., Li, Z.Y. and Tao, W.Q. Numerical Study on Heat Transfer Enhancement in a Receiver Tube of Parabolic Trough Solar Collector with Dimples, Protrusions and Helical Fins. Energy Procedia, 2015; 69: 1306-1316.

[26] Thomas, G. Patent No. EP1065463A2, A vehicle heat exchanger. 2001. [27] Marotta, E.E and Fletcher, L.S. Patent No. US2008/0043431A1, Method and systems employing

tailored dimples to exchange heat transfer. 2008. [28] Stewart, G. Patent No. US 2009/0229801A1, Radiator tube dimple pattern. 2009. [29] Jeon, Y.-H. Patent No. US 2009/0314475A1, Heat exchanger. 2009.

ม.แวหะย และ ช.นนทดสต

26