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Spatially resolved heat transfer measurements of impinging jets on statistically rough surfaces using an infrared-based gradient sensor

Häber, Thomas ORCID iD icon 1; Moosmayer, Sebastian 2; Secchi, Francesco ORCID iD icon 3; Raiola, Marco 3; Gatti, Davide ORCID iD icon 3; Trimis, Dimosthenis 2; Suntz, Rainer 4; Frohnapfel, Bettina ORCID iD icon 3
1 Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Engler-Bunte-Institut (EBI), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Institut für Strömungsmechanik (ISTM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
4 Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

Heat-transfer measurements of jets impinging on rough surfaces are scarce because conventional heatedthin-foil methods confine high-resolution measurements to smooth walls. This study presents an infraredthermography-based gradient sensor that enables spatially resolved wall-heat-flux measurements on thermally thick plates with embedded, statistically homogeneous roughness. The method is validated against direct numerical simulation and established smooth-wall datasets for Reynolds numbers in the range 5000 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 30 000 and nozzle-to-plate distances in the range 2 ≤ 𝐻∕𝐷 ≤ 5, showing good accuracy and repeatability. Using two roughness scales (𝑘$_{99}$∕𝐷 = 0.04 and 0.12), we provide the first systematic dataset of local Nusselt-number distributions for turbulent impinging jets on rough surfaces at Reynolds numbers relevant for practical applications. Roughness is shown to have little effect at low 𝑅𝑒, but a pronounced heat-transfer enhancement appears once a combined threshold in roughness height and Reynolds number is exceeded. For the larger roughness, strong augmentation is already observed for 𝑅𝑒 ≥ 10 000, especially near 𝑟∕𝐷 ≈ 1 where wall-jet shear is highest. ... mehr


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000194871
Veröffentlicht am 09.07.2026
Originalveröffentlichung
DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2026.111797
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Engler-Bunte-Institut (EBI)
Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT)
Institut für Strömungsmechanik (ISTM)
Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsmonat/-jahr 07.2026
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 0894-1777, 1879-2286
KITopen-ID: 1000194871
HGF-Programm 38.03.04 (POF IV, LK 01) Technical Fuel Assessment
Erschienen in Experimental Thermal and Fluid Science
Verlag Elsevier
Band 177
Seiten 111797
Externe Relationen Siehe auch
Schlagwörter Turbulent impinging jet, Infrared thermography, Gradient heat-flux sensor, Surface roughness, Nusselt number distribution
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