سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

تحلیل دینامیکی شکست قطرات اسپری سوخت و بهبود مدل شکست تشابهی تیلور باتوجه به اثرات نسبت چگالی دو فاز

نویسندگان
امیر امیدوار 1
حسن خالقی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا, دانشگاه صنعتی شیراز،شیراز،ایران
2 دانشکده فنی و مهندسی، بخش مهندسی مکانیک،دانشگاه تربیت مدرس، تهران،ایران
چکیده
در این نوشتار به بررسی و تحلیل دینامیکی شکست قطرات سوخت در شرایط آستانه­ ای شکست و در نزدیکی عدد وبر بحرانی پرداخته شده است. تحقیقات پیشین در زمینه جریان­های دو فازی پراکنده نشان داده است که عدد وبر بحرانی به نسبت چگالی دو فاز وابسته است، در حالی که در اکثر مدل­های مرسوم ارائه شده برای شکست قطرات اسپری از جمله مدل تشابهی تیلور، مقدارعدد وبر بحرانی برابر با 12 فرض می­ شود.دراین مقاله سعی شده است تا با تحلیل ناپایداری­های سطحی قطره در شرایط آستانه ­ای شکست، عملکرد مدل مرسوم شکست تشابهی تیلور بهبود یابد. به نحوی که مدل اصلاح شده بتواند اثرات نسبت چگالی دو فاز را در فرایند شکست لحاظ نماید. نتایج این تحقیق نشان داد که در نسل جدید موتورهای دیزل که فشار محفظه احتراق در آن­ها بسیار بالاست، عدد وبر بحرانی از مقدار ثابت و مرسوم 12 فراتر می­ رود. مقایسه نتایج با داده­ های تجربی نشان داد که مدل اصلاح شده پیشنهادی در این مقاله می­ تواند رفتار اسپری دیزل را با دقت بیشتری نسبت به مدل تشابهی تیلور پیش ­بینی نماید.

تازه های تحقیق

به طور کلی نتایج به دست آمده در این تحقیق را می­توان به صورت زیر خلاصه کرد:

1- اصلاح مدل تشابهی تیلور به منظور لحاظ نمودن اثرات تحریک­های سطحی در فصل مشترک قطره با محیط گازی اطراف.

2- بررسی­ها نشان داد که وقتی نسبت چگالی دو فاز خیلی بزرگ است، در شرایط آستانه­ای شکست (عدد وبر جریان به عدد وبر بحرانی نزدیک است) فرایند شکست قطرات بیشتر متأثر از سازوکار تغییر شکل قطره است. در حالی که در جریان­هایی با نسبت چگالی کم نقش تحریک­های سطحی در فصل مشترک دو فاز محسوس­تر می­شود.

4- نتایج این تحقیق نشان داد که در موتورهای دیزل معمولی که فشار داخل محفظه احتراق از 50 بار تجاوز نمی­کند، در نظر گرفتن عدد وبر بحرانی برابر با مقدار ثابت و مرسوم 12، خطای زیادی را به دنبال ندارد. ولی در موتورهای دیزل جدید که فشار داخل محفظه احتراق در آن­ها خیلی بالاتر است عدد وبر بحرانی نزدیک به 2/13 است.

5- بررسی­ها نشان داد که علاوه بر عدد وبر بحرانی و شرایط آستانه­ای شکست قطره، خواص پس از شکست نیز به نسبت چگالی دو فاز وابسته است. با کاهش نسبت چگالی فاز مایع به فاز گاز، قطر متوسط قطرات فرزند افزایش می­یابد.

6- مقایسه نتایج مدل TAB اصلاح شده با مدل TAB مبنا نشان داد که اصلاحیه پیشنهادی می­تواند عملکرد مدل را تا حد نسبتاً زیادی بهبود بخشد.

کلیدواژه‌ها
اسپری
شکست قطره
عدد وبر
نسبت چگالی

عنوان مقاله English

A Dynamic Analysis of Fuel Droplets Breakup and Modification of Taylor Analogy Breakup (TAB) with Respect to Density Ratio Effects

نویسندگان English

Amir Omidvar 1
Hasan Ghaleghi 2
1 School of Mechanical and Aerospace Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
2 Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

This paper presents a dynamic investigation of fuel droplets breakup at the vicinity of critical Weber number. Based on prior research, the critical Weber number depends on density ratio. However, in traditional diesel spray droplet breakup models such as TAB, the critical Weber number is considered to be constant at a value of 12. In this article, some modification has been proposed in order to improve Taylor analogy breakup model with respect to density ratio effects. The results of the present research indicate that at higher combustion chamber pressure levels, critical Weber number is greater than the custom value of 12 in novel diesel engines. In addition, the results from our proposed model are in good agreement with experimental data reported by other researchers. It is, therefore, concluded that the new modified model is effectively more reliable in comparison with TAB model

کلیدواژه‌ها English

Spray
Droplet breakup
Weber number
Density ratio
 
1.     Hinze, J. O., “Fundamentals of Hydrodynamic Mechanism of Splitting in Dispersion Process,” AIChE Journal, 1, No.3,   pp. 289-295, 1955.
2.     Pilch, M., and Erdman, C. A., “Use of Breakup Time Data and Velocity History Data to Predict the Maximum Size of Stable Fragments for Acceleration Induced Breakup of a Liquid Drop,” Int. J. Multiphase Flow, 13, pp. 741-752, 1987.
3.     Kolev, N. I., “Fragmentation and Coalescence Dynamics in Multiphase Flows,” Exp. Therm. Fluid Sci., 22, pp. 211-220, 1993.
4.     Gelfand, B. E., “Droplet Breakup Phenomena in Flows with Velocity Lag,” Prog. Energy Combust. Sci. 22, pp. 201-212, 1996.
5.     Duan, R. Q., Koshizuka, S., and Oka, Y., “Numerical and Theoretical Investigation of Effect of Density Ratio on the Critical Weber Number of Droplet Breakup,” Journal of Nuclear Science and Technology, 40, No. 7, pp. 501-508, 2003.
6.     Baumgarten, C., “Mixture Formation in Internal Combustion Engines,” Hannover, Germany, Springer, 2006.
7.     O’Rourke, P. J., and Amsden, A. A., “The TAB Method for Numerical Calculation of Spray Droplet Breakup,” SAE Paper 872089, 1987.
8.     Liu. H., “An Investigation of Thermal Modulation Effect on Liquid Sheet Breakup,” PhD Thesis, University of Alabama, 2008.
9.     Beshay, K. R., Gosman, A. D., and Watkins, A. P., SAE Report 861570, 1986.
10.  Ahmadi-Befrui, B., Gosman, A. D., and Watkins, A. P., “Flows in Internal Combustion Engines,” ASME, pp. 27-32, 1984.
11.  Gosman, A. D., Tsui, Y. Y., and Watkins, A. P., SAE Report 840229, 1984.
12.  Watkins, A. P., “Computation of Diesel Sprays by a Non-Iterative Implicit Solution Scheme,” Atom Spray Tech, 3, pp. 261-290, 1987.
13.  Watkins, A. P., and Khaleghi, H., “Modeling Diesel Spray Evaporation Using a Non-Iterative Implicit Solution Scheme,” Appl Math Modeling, 12, pp. 468-474, 1990.
14.  Khaleghi, H., and Fallah, E., “Iterative and Non-Iterative Solution of Engine Flows Using ASM and k-ε Turbulence Models,” 11th annual conference of CFD society of Canada, Canada, 2003.
15.  Khaleghi, H., and Hosseini, S. M., “Numerical Modeling of Spray Combustion in DI Diesel Engine Using Partially Stirred Reactor (PaSR) Model,” 11th annual conference of CFD society of Canada, Canada, 2003.
16. معتمدی ذکاء، ح؛ "تحلیل جریان دو بعدی داخل سیلندر در طی فرایند تراکم با استفاده از مدل توربولانسی تنش­های رینولدز(RSM)،" پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس، اسفندماه 1385.
17. خالقی، ح؛ امیدوار، ا؛ و معتمدی ذکاء، ح؛ "مدلسازی عددی جریان دوفازی اغتشاشی ناهمسانگرد داخل سیلندر با استفاده از مدل تنش­های رینولدز،" فصلنامه علمی-پژوهشی شریف، شماره 47، تیرماه 1388.
18. Kaleghi, H., Ganji, D. D., and Omidvar, A., “Comparison of Various Droplet Breakup Models in Gas-Liquid Flows in High Pressure Environments,” IJST Journal, 32, No. B4, pp. 385-400, 2008.
19. El Wakil, M. M., Ueyhara, O. A., and Myers, F. S., “A Theoretical Investigation of the Heating-up Period of Injected Fuel Droplets Vaporizing in Air,” NACA Technical Note 3179, 1954.
20. Gosman, A. D., and Ioannides, E., “Aspects of Computer Simulation of Liquid-Fuelled Combustors,” Energy, 7, NO.6, pp. 482-490, 1983.
21. Gavaises, M., “Modeling of Diesel Fuel Injection Processes,” PhD Thesis, Imperial College of Science and Technology and Medicine, University of London, London, UK, 1997.
22. Issa, R. I., “Solution of the Implicitly Discretised Fluid Flow Equations by Operator Splitting,” J. Comp. Phys, 62, NO. 1, pp. 40-65, 1986.
23. Rotondi, R., Bella, G., Grimaldi, C., and Postrioti, L., “Atomization of High Pressure Diesel Sprays: Experimental Validation of a New Breakup Model,” SAE Paper 2001-01-1070, 2001.