충돌제트 냉각은 제트가 충돌하는 정체 영역에 매우 높은 열전달을 제공하기 때문에 가스터빈 블레이드나 전자부품 냉각, 금속 제조공정, 제지 건조 및 항공기 날개의 동결방지 장치와 같이 다양한 분야에서 적용되고 있다. 제트가 벽면에 부딪친 후 벽면 제트에 의해 야기되는 충돌 챔버 내의 횡방향 유동은 여러 개의 제트로 구성된 배열 충돌제트인 경우 하류에 있는 제트 유동을 방해하거나 휘게 할 수 있으며, 이는 충돌면에서의 열전달 감소를 야기 시킨다. 이러한 횡방향 유동은 배열 충돌제트의 냉각 성능에 크게 영향을 미치는 중요한 요소이며, 횡방향 유동의 부정적인 효과는 채널 길이 방향으로 배열 충돌제트 수를 제한하게 된다. 파형 구조는 하류 제트에서의 횡방향 유동 영향을 줄이기 위한 여러 방법 중의 하나이며, 파형 구조는 인접한 충돌 제트 사이에 있는 파형 속에 사용된 냉각 공기를 유입시키어 배열 충돌제트 부근에서의 횡방향 유동 속도 감소로 열전달을 향상시킨다.
본 연구에서는 충돌제트의 경사 각도와 파형 구조의 형상 변수가 배열 충돌 제트의 횡방향 유동 억제에 미치는 영향을 제시하고 분석하였다. 수치해석은 파형 구조에서의 유동 및 열전달 특성에 대해 수행하였으며, 모든 계산은 3차원, 정상상태, 비압축성 난류 유동으로 고려하였고 ANSYS-CFX 15.0 코드를 사용하였다. 본 연구에 적절한 난류 모델을 선정하기 위하여 Reynolds 응력 항을 모델링하는 표준 k-e, 표준 k-w (Wilcox’ 1988 모델), SST k-w, BSL k-w 난류 모델로 수치해석을 수행하였다. BSL k-w 모델은 SST k-w 모델과 동일하게 벽면 근처에서는 표준 k-w 모델을 사용하고 바깥쪽에서는 표준 k-e 모델을 사용하지만, 표준 k-e 모델내의 상수 및 난류 점성계수의 정의에서 차이가 있다. 상기 여러 난류 모델을 사용하여 얻은 해석 결과는 파형 구조의 적절한 실험 결과와 비교하였으며, BSL k-w 난류 모델이 본 연구에서 고려된 모든 다른 난류 모델 보다 실험 결과에 가장 일치된 열전달 특성을 예측함을 확인하였다.
BSL k-w 난류 모델을 사용하여 제트 홀에서 평균 Reynolds 수가 약 10,000인 경우에 대해 파형 구조의 파라메트릭 연구를 수행하였다. 제트 직경 대비 제트 출구와 충돌면의 간격(h/d) 비율은 1부터 3까지, 그리고 제트 직경 대비 파형 폭(Sc/d)의 비율은 1.6부터 3.2까지 변화시키었다. 제트 출구와 충돌면의 간격이 클수록 제트 홀 간의 질량유량 차이가 줄어들었고 제트 끝단이 더 휘었으며, Nusselt 수가 가장 높은 정체점은 제트 홀 중심으로부터 채널 후방으로 더 많이 이동하였다. 파형 폭이 클수록 제트 홀 밑에서 횡방향 유동 영향을 상대적으로 덜 받아 제트 유동 끝단이 충돌면 채널 후방으로 갈수록 적게 휘었지만 충돌면의 평균 Nusselt 수가 더 낮아져서 나빠졌다. 배열 충돌제트의 경사 각도가 파형 구조의 유동 및 열전달 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하기 위하여, Spanwise 단면에서 3 종류의 제트 경사각도(a) 즉, 70도, 80도 및 90도를, Streamwise 단면에서 4 종류의 제트 경사각도(b) 즉, 70도, 80도, 90도 및 100도를 고려하였다. 유동 상류 방향으로 a 및 b 를 동시에 경사 각도를 준 경우에는 a나 b 중 한 개만 경사 각도를 준 경우에 비해서 횡방향 유동을 전반적으로 잘 억제하여 충돌면 전 영역에서 Nusselt 수가 높게 나타났다. 그러나 충돌면에서 Nusselt 수가 높으면 압력 강하도 그에 상응하여 높게 되어 장점과 단점이 공존하므로 충돌제트의 경사각도는 Nusselt 수와 압력강하를 서로 고려하면서 적절한 각도를 선정해야 한다. 적외선 열화상 카메라와 열전대를 이용하여 파형구조의 벽면 및 공기 온도를 측정하였고, 벽면 재료 효과를 고려한 열구조 복합 해석을 수행하였다. Polycarbonate, Corian, Stainless Steel 인 경우에 Biot 수와 냉각 효율을 비교하였으며, 이를 통해 파형 구조의 냉각 효율을 Biot 수의 함수로 나타내는 식을 도출하였다.

Impingement jet cooling has received considerable attention as it is able to provide significantly high heat transfer on the impinging jet stagnation zone, and has been applied in a wide variety of fields, such as cooling of gas turbine blade and electronic components, metal annealing, paper drying, and anti-icing device of aircraft wings. The crossflow in an impingement chamber developed by the spent air of upstream jets can disrupt and deflect the downstream jets in the array, leading to a decrease in the heat transfer intensity. Crossflow is an essential factor that significantly affects the cooling performance of an impingement jet array and the negative effect of crossflow is a limiting factor on the length of impingement jet arrays. A corrugated structure is one of several methods to reduce the crossflow effects on the downstream jets. It traps the spent cooling air in the corrugations between impingement jets and then reduces the crossflow velocity near impingement jets.
In the present study, the effects of impingement jet angle and configuration parameters of corrugated structure on the crossflow reduction of impingement jet array are presented and discussed. A numerical analysis is made of the fluid flow and heat transfer characteristics in the corrugated structure. All computations are performed by considering three-dimensional, steady state, and incompressible turbulent flow using the ANSYS-CFX 15.0 code. To select a suitable turbulence model for this study, numerical simulations were carried out with standard k-e, standard k-w (Wilcox’ 1988 model), SST (Shear Stress Transport) k-w, BSL (baseline) k-w turbulence models for modeling Reynolds stress terms. The BSL k-w turbulence model is identical to the SST k-w model, except the constants in the standard model and the definition of eddy viscosity. The results obtained using these models were compared with the available experimental results. It was identified that the BSL k-w model predicts heat transfer characteristics better compared to all other turbulence models considered in this study.
Using the BSL k-w turbulence model, a parametric study of corrugated structure was carried out for the averaged jet Reynolds number of about 10,000. The ratio of distance between the jet exit and the target surface to the diameter of the jet (h/d) was varied from 1 to 3, and the ratio of the corrugated width to jet diameter (Sc/d) varied from 1.6 to 3.2. In order to investigate the effects of oblique angles of impingement jet array on the fluid flow and heat transfer characteristics of corrugated structure, the three kinds of jet angles (a) of 70 deg., 80 deg., and 90 deg. on the spanwise section and the four kinds of jet angles (b) of 70 deg., 80 deg., 90 deg., 100 deg. on the streamwise section were considered. And the impingement jet angles of the corrugated structure were also considered at the same time for both the spanwise and streamwise section. The average Nusselt numbers on the impingement surface when given the impingement jet angles at the same time in the spanwise section and the upstream direction of streamwise section are higher than those in the one section of the spanwise or streamwise. The pressure drop in the channel near impingement surface increases as the Nusselt number increases. Therefore, it is required that the optimum impingement jet angles of the corrugated structure must selected in considering between the Nusselt number on impingement surface and the pressure drop in the channel. The wall and air temperatures of corrugated structure were measured using infrared camcorder and J-type thermocouples during heat transfer experiments with 3 kinds of target plate materials such as polycarbonate, corian and stainless steel. The cooling effectiveness was correlated with the Biot number for the corrugated structure.