Prediction of stagnation point heat transfer for a slot jet impinging on a concave semicylindrical surface

A systematic procedure has been laid out for assessment of fluid flow and heat transfer parameters for a slot jet impinging on a concave semicylindrical surface. Based on Walz's modifications of the Karman-Pohlhausen integral method, expressions have been derived for evaluation of the momentum thickness, boundary layer thickness and the displacement thickness at the stagnation point. The work then has been extended for the estimation of thermal boundary layer thickness and local heat transfer coefficients. A correlation has been presented for the Nusselt number at the stagnation point as a function of the Reynolds number for different non-dimensional distances from the exit plane of the jet to the impingement surface.

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Berechnung des Wärmeübergangs im Staupunkt eines Strahles, der aus einer rechteckigen öffnung auf eine konkave halbzylindrische Fläche auftrifft

Zusammenfassung Es wurde eine systematische Prozedur für die Abschätzung von Strömungs- und Wärmeübergangsparametern für einen Strahl, der auf eine konkave halbzylindrische Fläche auftrifft, aufgestellt. Basierend auf Walz's Modifikationen der Karman-Pohlhausen Integral-Methode, wurden Ausdrücke für die Berechnung der Impulsdicke, der Grenzschichtdicke und die Versetzungsdicke am Staupunkt abgeleitet. Die Arbeit wurde dann auf die Abschätzung der thermischen Grenzschichtdicke und der lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten ausgedehnt. Es wird eine Beziehung für die Nusselt-Zahl am Staupunkt als eine Funktion der Reynolds-Zahl für verschiedene dimensionslose Abstände von der Austrittsfläche des Schlitzes bis zur Aufprallfläche aufgestellt.

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Nomenclature c _p specific heat at constant pressure - h ₀ heat transfer coefficient at the stagnation point - H distance from the exit plane of the jet to the impingement surface - k thermal conductivity - Nu _.5 Nusselt number based on impinging jet quantities =h _0.50/k - Nu _.5,0 stagnation point Nusselt number =h _{0 0.50}/k - p pressure - p _a ambient pressure - p ₀ maximum pressure or stagnation pressure - p(x) static pressure at a distancex from the stagnation point - p(x*) static pressure at nondimensional distancex* from the stagnation point - Re _J jet Reynolds number =U _J W/ - Re _0.5 Reynolds number based on impinging jet quantities =u _{m0 0.50}/ - T temperature - T* nondimensional temperature =(T–T _W)/(T _J–T _W) - T _a room temperature - T _J jet temperature - T _W wall temperature - u velocity component inx andx directions - u _m jet centerline (or maximum) free jet velocity: external (or maximum) boundary layer velocity aty = _m - u _m0 arrival velocity defined as the maximum velocity the free jet would have at the plane of impingement if the plane were not there - U _J jet exit velocity - W jet nozzle width - x* nondimensional coordinate starting at the stagnation point =x/2 _0.50 - x, y rectangular cartesian coordinates - y coordinate normal to the wall and starting at the wall - ratio of thermal to velocity boundary layer thickness = _T/ _m - ₀ ratio of thermal to velocity boundary layer thickness at the stagnation point - * inner layer displacement thickness - _.50 jet half width at the plane of impingement if the plate were not there - d_.5 free jet (half width) thickness whereu=u _m/2 - _m inner boundary layer thickness atu =u _m - _T thermal boundary layer thickness - nondimensional coordinate normal to wall =y/ _m - _T nondimensional coordinate normal to wall =y/ _T - Pohlhausen's form parameter - dynamic viscosity - kinematic viscosity = / - fluid density - momentum thickness - ₀ momentum thickness at the stagnation point