مطالعه عددی جریان سه بعدی داخل مجرای تخلیه اتمایزر مایع هوادهی شده در نسبت‌های هوادهی مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک

2 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

چکیده: میدان جریان دوفازی در بالادست روزنه تخلیه اتمایزر مایع هوادهی شده، در دبی مایع 0.38 لیتر در دقیقه و در نسبت‌های دبی جرمی گاز به مایع مختلف 0.32%،0.62% و 1.24% به صورت عددی مطالعه شده است. شبیه‌سازی سه بعدی جریان داخل اتمایزر با استفاده از روش حجم سیال انجام شده است. به دلیل سرعت بالای گاز هواده در روزنه‌های خروجی لوله هوادهی، این گاز در همه نسبت‌های هوادهی به صورت گاز ایده‌آل فرض شده است. نتایج مطالعه برای هر نسبت هوادهی به صورت کانتورهای کسر حجمی گاز نیتروژن در زمان‌های مختلف و کانتورهای سرعت ارائه شده است. کانتورهای کسر حجمی گاز نیتروژن، مطابق نتایج تجربی، نشان‌‌دهنده حاکم بودن رژیم جریان حلقوی در درون مجرای تخلیه اتمایزر شبیه‌سازی شده در همه نسبت‌های هوادهی مورد بررسی است. هم‌چنین، مشاهده شد که با افزایش میزان هوادهی، علاوه بر کاهش ضخامت فیلم مایع در مجرای تخلیه، تغییرات این ضخامت در طول مجرا نیزکاهش می‌یابد. از این رو، می‌توان پیش‌بینی کرد که قطرات اسپری حاصل از اتمایزر مایع هوادهی شده در نسبت‌های هوادهی بالاتر، به دلیل کاهش ضخامت فیلم مایع در مجرای تخلیه، ریزتر بوده و به دلیل کم‌تر شدن تغییرات ضخامت فیلم مایع درون این مجرا، یکنواخت‌تر باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical study of the 3D internal flow field of effervescent atomizer at different aeration levels

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Ansari 1
  • Zahra Alizadeh kaklar 2
1 Energy Conversion Group, Faculty of Mechanical Engineering
2 Energy Conversion Group, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

Two-phase flow field upstream of the discharge orifice of effervescent atomizer has been numerically studied at 0.38 L/min liquid flow rate and different gas to liquid mass ratios of 0.32%, 0.62%, and 1.24%. The internal flow of the atomizer has been three-dimensionally simulated using the volume of fluid method. Aeration gas is considered as an ideal gas at all aeration levels due to the high velocity of it at the exits of the aerating tube. At any aeration level, the simulation results have been represented by the contours of nitrogen volume fraction at different times and the contours of velocity. At all considered aeration levels, according to experimental results, the contours of nitrogen volume fraction show the annular flow regime is dominant in the discharge passage of the simulated atomizer. Also, by increasing the aeration level, both the liquid film thickness in the discharge passage and changes of it along the passage will be decreased. Therefore, it can be expected the spray of the effervescent atomizer at high aeration levels be finer due to a reduction of the liquid film thickness in the discharge passage and more uniform due to fewer changes in the liquid film thickness in this passage.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Effervescent atomizer
  • Two-phase flow
  • Gas-Liquid ratio (GLR)
  • Volume of fluid (VOF) method
 
P. B. Bai, Y. M. Xing and Z. Wang, “Experiment Study and Simulation Research for the Atomization Characteristics of the Internal-Mixing Twin-Fluid Atomizer,” in Advanced Materials Research, 1049, 2014, pp. 1075-1082.
S. Sovani, P. Sojka and A. Lefebvre, “Effervescent atomization,” Progress in energy and combustion science, 24, No. 4, 2001, pp. 483-521.
L. Qian and J. Lin, “Modeling on effervescent atomization: A review. Science China Physics,” Mechanics and Astronomy, 54, No. 12, 2011, pp. 2109-2129.
H. Lefebvre and R. Ballal, GAS Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions, Third Edition, CRC press, Boca Raton, 2010.
M. Zaremba, J. Kozák, M. Malý, L. Weiß, P. Rudolf, J. Jedelský and M. Jícha, “An experimental analysis of the spraying processes in improved design of effervescent atomizer,” International Journal of Multiphase Flow, 103, 2018, pp. 1-15.
U. Sarkar and K. Ramamurthi, “Flow visualization of sprays formed by bubbly, slug, and annular flows in an effervescent atomizer,” Journal of Flow Visualization and Image Processing, 14, No. 4, 2007.
M. Lorcher, F. Schmidt and D. Mewes, “Effervescent atomization of liquids,” Atomization and Sprays, 15, No. 2, 2005.
J.Y. Kim and S.Y. Lee, “Dependence of spraying performance on the internal flow pattern in effervescent atomizers,” Atomization and Sprays, 11, No. 6, 2001, pp. 735-756.
K. C. Lin, P. Kennedy and T. Jackson, “Structures of internal flow and the corresponding spray for aerated-liquid injectors,” 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Salt Lake City, UT, USA, 8-11 July, 2001, pp. 3569.
M. Tian, J. Edwards, K. C. Lin and T. Jackson, “Numerical simulation of transient two-phase flow with aerated liquid injectors. Part 2: flow structure,” 33rd AIAA fluid dynamics conference and exhibit, Orlando, Florida, 23-26 June, 2003, pp. 4266.
Z. AlizadehKaklar and M. R. Ansari, “Numerical simulation of two-phase flow within an effervescent atomizer using volume of fluid model,” Modares Mechanical Engineering, 17, No. 7, 2017, pp. 59-67.(in Persian)
Z. A. Kaklar and M. R. Ansari, “Numerical analysis of the internal flow and the mixing chamber length effects on the liquid film thickness exiting from the effervescent atomizer,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 135, No. 3, 2019, pp. 1881-1890.
S. A. Esfarjani and A. Dolatabadi, “A 3D simulation of two-phase flow in an effervescent atomizer for suspension plasma spray,” Surface and Coatings Technology, 203, No. 15, pp. 2074-2080.
K. Mehmood and J. Masud, “Analysis of two-phase flow in an effervescent atomizer using volume of fluid method,” 50th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition, Nashville, Tennessee, 9-12 January, 2012, pp. 312.
A. Helmy, S. Wilson, A. Siam and A. Balabel, “Numerical modeling of two-phase flow in an effervescent atomizer using volume of fluid method,” International Journal of Modern Physics and Applications, 1, No. 4, 2015, pp. 186-192.
J. R. Thome and J. Kim, Encyclopedia of Two-Phase Heat Transfer and Flow II Special Topics and Applications Volume 4: Numerical Modeling of Two-Phase Flow and Heat Transfer, World Scientific Publishing Company, 2015.
J. U. Brackbill, D. B. Kothe and C. Zemach, “A continuum method for modeling surface tension," Journal of computational physics, 100, No. 2, 1992, pp. 335-354.
I. Kataoka, M. Ishii and K. Mishima, “Generation and size distribution of droplet in annular two-phase flow,” Trasaction of the ASME 105, 1983, pp.230-238.
J. Jedelsky and M. Jicha, “Unsteadiness in effervescent sprays: a new evaluation method and the influence of operational conditions,” Atomization and Sprays, 18, No. 1, 2008, pp. 49-83.