Prediction of stagnation point heat transfer for a single round jet impinging on a concave hemispherical surface

This paper deals with a systematic procedure for assessment of fluid flow and heat transfer parameters for a single round jet impinging on a concave hemispherical surface. Based on Scholkemeier's modifications of the Karman-Pohlhausen integral method, expressions are derived for evaluation of the momentum thickness, boundary layer thickness and the displacement thickness at the stagnation point. This is followed by the estimation of thermal boundary layer thickness and local heat transfer coefficients. A correlation is 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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Bestimmung des Staupunktes bei der Wärmeübertragung für einen einzelnen Strahl, der auf eine konkave halbkugelige Oberfläche trifft

Zusammenfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem systematischen Verfahren der Bewertung von Fluidströmungen und Wärmeübertragungsparametern für einen einzelnen runden Strahl, der auf eine konkave halbkugelförmige Oberfläche trifft. Das Verfahren beruht auf Scholkemeiers Modifikation des Karman-Pohlhausen Integrationsverfahrens. Ausdrücke sind für die Berechnung der Impuls-Dicke, der Grenzschichtdicke und der Verschiebungsdicke am Staupunkt hergeleitet worden. Dies ist aus der Berechnung der thermischen Grenzschichtdicke und des lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten abgeleitet worden. Es wird eine Gleichung für die Nusselt-Zahl am Staupunkt als Funktion der Reynolds-Zahl für verschiedene dimensionslose Abstände vom Strahlaustrittspunkt bis zum Auftreffpunkt auf die Oberfläche vorgestellt.

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Nomenclature c _p specific heat at constant pressure - d diameter of single round nozzle - 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 _0.5 Nusselt number based on impinging jet quantities=h _0.50/k - Nu _{0.5, 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 - R radius of curvature of the hemisphere - Re _J jet Reynolds number=U _Jd/ - Re _0.5 Reynolds number based on impinging jet quantities=u _{m0 0.50}/ - T temperature - T _a room temperature - T _J jet temperature - T _W wall temperature - u velocity component inx andx directions (Fig. 1) - 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 - x* non-dimensional coordinate starting at the stagnation point=x/2 _0.50 - x, y rectangular Cartesian coordinates - y coordinate normal to the wall 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 - _0.50 jet half width at the plane of impingement if the plate were not there - _m inner boundary layer thickness atu=u _m - Pohlhausen's form parameter - dynamic viscosity - kinematic viscosity=/ - fluid density - momentum thickness - ₀ momentum thickness at the stagnation point