Modelowanie ruchu kropel paliwa, rozpylenia i parowania podczas przepływu burzliwego

• Autorzy: Barata J.

Warianty tytułu

EN

On the modeling of droplet transport, dispersion and evaporation in turbulent flows

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowany artykuł przedstawia numeryczne studium parowania kropel wtryskiwanych bezpośrednio w turbulentny strumień powietrza. Dotychczas stworzono kilkanaście różnych modeli, więcej lub mniej udanych, które opisują to zjawisko, lecz wszystkie bazują na wtrysku do nieruchomego otoczenia. Podstawowym celem autora było zastosowanie rozwinięcia Eulera/Lagrange'a do opisania: ruchu kropel paliwa, ich rozpylenia, parowania i połączenia obu procesów, tak jak to się dzieje w rzeczywistości w komorze spalania, gdzie występuje: zawirowanie typu swirl (zawirowanie osiowe), tumble (zawirowanie promieniowe) oraz squish wyciskające działanie tłoka) lub przepływ krzyżowy w turbinach. W tym artykule metoda opracowana na potrzeby badania izotermicznego rozpadu turbulentnego została rozszerzona o fazę parowania kropel wtryskiwanych do przepływu krzyżowego, a następnie przeanalizowano wyniki otrzymane przy użyciu dwóch różnych modeli parowania. Warunki konwekcji opisano przy użyciu modelu hybrydowego albo modelu wyższego rzędu Leonarda QUICK, natomiast fazę rozpylenia opisano w oparciu o model Lagrange'a. Szczegółowo przeanalizowano różnice istniejące zarówno pomiędzy dwoma wspomnianymi modelami parowania, jak i pomiędzy ich użytecznością w badaniu wtrysku paliwa do zaburzonego przepływu. W fazie podgrzewania, w modelu Chena i Pereiry [1], przepływ krzyżowy przenosi krople na dużą odległość od wtryskiwacza, podczas gdy w modelu Sommerfelda, zgodnie ze wzorem na parowanie, średnica kropel podlega ciągłej zmianie, co w rezultacie zasadniczo modyfikuje wyniki z tego względu, że wielkość cząstek (kropel) istotnie wpływa na występujący przepływ ciepła i zaburzone rozpylenie. W konsekwencji, średnice kropel, temperatura i rozkład masy okazały się zależne od użytego modelu parowania. Stąd powstała konieczność stworzenia nowego modelu, który uwzględniałby także przemieszczenie parujących kropli, i który umożliwiałby symulację układów rzeczywistych. Ponadto, w celu lepszej oceny i poprawy modeli parowania jest konieczne dokładniejsze wyznaczanie wartości w układzie trójwymiarowym.

EN

The present paper presents a numerical study on evaporating droplets injected through a turbulent cross-stream. Several models have been used with more or less success to describe similar phenomena, but much of the reported work deals only with sprays in stagnant surroundings. The ultimate goal of this study is to develop an Eulerian/Lagragian approach to account for turbulent transport, dispersion, evaporation and coupling between both processes in practical spray injection systems, which usually include air flows in the combustion chamber like swirl, tumble and squish in I.C. engines or crossflow in gas turbines. In this work a method developed to study isothermal turbulent dispersion is extended to the case of an array of evaporating droplets through a crossflow, and the performance of two different evaporation models widely used is investigated. The convection terms were evaluated using the hybrid or the higher order QUICK scheme. The dispersed phase was treated using a Lagrangian reference frame. The differences between the two evaporation models and its applicability to the present flow are analysed in detail. During the preheating period of the Chen and Pereira [1] model the droplets are transported far away from the injector by the crossflow, while with the Sommerfeld [2] formulation for evaporation the droplet has a continuous variation of the diameter. This result has profound implications on the results because the subsequent heat transfer and turbulent dispersion is extremely affected by the size of the particles (or droplets). As a consequence, droplet diameter, temperature and mass fraction distributions were found to be strongly dependent on the evaporation model used. So, a new formulation that takes into account also the transport of the evaporating droplets needs to be developed if practical injection systems are to be simulated. Also, in order to better evaluate and to improve the vaporization models more detailed measurements of three-dimensional configurations are required.

Słowa kluczowe

PL

wtrysk burzliwy; parowanie; system wtrysku paliwa

EN

turbulent sprays; evaporation; fuel injection systems

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 44, nr 3
• Strony: 42--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz.

Twórcy

autor

Barata J.

• Wydział Nauk Astronautycznych, Uniwersytet Beira Interior, Bolama, Portugalia

Bibliografia

• [1] Sommerfeld M.: Analysis of Isothermal and Evaporating Sprays by Phase-Doppler Anemometry and Numerical Calculations. International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 19, 1998, pp.173-186.
• [2] Chen X.Q., Pereira J.C.F.: Numerical Prediction of Nonevaporating and Evaporating Fuels Sprays Under Nonreactive Conditions. Atomization and Sprays, Vol. 2, 1992, pp.427-443.
• [3] Bachalo: Injection, Dispersion and Combustion of Liquid Fuels. Twenty-Fifth Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, 1994, pp. 333-344.
• [4] Faeth G.M.:Evaporation and Combustion of Sprays. Prog. Energy Combust. Science,Vol. 9, 1983, pp. 1-76.
• [5] Faeth G.M.: Mixing, Transport and Combustion in Sprays. Prog. Energy Combust. Science, Vol. 13, 1987, pp. 293-345.
• [6] Faeth G.M.: Spray Combustion Phenomena. Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, 1996/pp. 1593-1612.
• [7] Godsave G. A. E.: Studies of the Combustion of Drops in a Fuel Spray-the Burning of Single Drops of Fuel. Fourth Symposium (International) on Combustion. Williams & Wilkins, Baltimore, 1953, pp. 818-830.
• [8] Spalding D. B.: The Combustion of Liquid Fuels. Fourth Symposium (International) on Combustion. Williams & Wilkins, Baltimore, 1953, pp. 847-864.
• [9] Williams A.: Combustion of Droplets of Liquid Fuels, A Review. Combustion and Flame, Vol.21, 1973, pp. 1-31.
• [10] Faeth G. M.: Current Status of Droplet and Liquid Combustion. Prog. Energy Combust. Science, Vol. 3, 1977, pp. 191-224.
• [11] Law C. K.: Recent Advances in Droplet Vaporization and Combustion. Prog. Energy Combust. Science, Vol. 8, 1982, pp. 171-201.
• [12] Lefebvre A. H.: Atomization and Sprays. Hemisphere Pub. Co., New York, 1989.
• [13] Sirignano W. A.: Theory of Multi-component Fuel Droplet Vaporization. Archives of Thermodynamics and Combustion, Vol. 9, No. 2, 1978, pp. 231-247.
• [14] Bai C.X., Rusche H., Gosman: Modeling of Gasoline Spray Impingement. Atomization and Sprays, Vol. 12, pp. 1-27, 2002.
• [15] Arcoumanis C., Whitelaw D.S., Whitelaw J.S.: Gasoline Injection against Surfaces and Films. Atomization and Sprays, Vol. 7, pp.437-456, 1997.
• [16] Launder B.E., Spalding D.B.: The Numerical Computation of Turbulent Flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3, 1974, pp. 269-289.
• [17] Barata J.M.M.: Jets in Ground Effect with a Crossflow. AIAA Journal, Vol. 36, No. 9, pp. 1737-1740, September 1998.
• [18] Leonard B.P.: A Stable and Accurate Convective Modeling Procedure Based on Quadratic Upstream Interpolation. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 19, No. 1, 1979, pp. 59-98.
• [19] Shuen J.S., Solomon A.S.P., Zhang Q.F., Faeth G.M.: Structure of a Particle-Laden Jets: Measurements and Predictions. AIAA Journal, Vol. 23, No. 3, pp. 396-404, 1985.
• [20] Lilley D.G.: Primitive Pressure-Velocity Code for the Computation of Strongly Swirling Flows. AIAA Journal, Vol. 14, No. 6, June 1976, pp. 749-756.
• [21] Lockwood F.C., Naguib A.S.: The Prediction of the Fluctuations in the Properties of Free, Round Jet, Turbulent, Diffusion Flames. Combustion and Flame, Vol. 24, February 1975, pp. 109-124.
• [22] Watson K.M.: Prediction of Critical Temperatures and Heats of Vaporization. Ind. Eng. Chem., Vol. 23, No. 4, 1931, pp. 360-364.
• [23] Hubbard G.L., Denny V.E., Mills A.F.: Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.16, 1973, pp.1003-1008.
• [24] Saparrow E.M., Gregg J.L.: Trans. of ASME, Vol. 80, 1958, pp. 879-886.
• [25] Shirolkar J. S., Coimbra C. F. M., Queiroz McQuay M.: Fundamentals Aspects of Modeling Turbulent Particle Dispersion in Dilute Flows. Prog. Energy Combust. Science, Vol. 22, 1996, pp. 363-399.
• [26] Shuen J.S., Chen L.D., Faeth G.M.: Evaluation of a Stochastic Model of Particle Dispersion in a Turbulent Round Jet. AIChE Journal, Vol. 19, Jan. 1983, pp.167-170.
• [27] Gosman A.D., Ioannides E.: Aspects of Computer Simulation of Liquid-Fueled Combustors. AIAA Paper No. 81-0323, AIAA 19th Aerospace Sciences Meeting, St. Louis, MO, 1981.
• [28] Ranz W.E., Marshall W.R. Jr.: Evaporation from Drops. Chem. Eng. Prog., Vol. 48, 1952, pp. 141-173.
• [29] Spalding D.B.: A Novel Finite-Difference Formulation of Differential Expressions Involving both First and Second Derivatives. Internal Journal of Numerical Methods in Engineering, Vol. 4, 551 pp., 1972.
• [30] Barata J.M.M., Durão D.F.G., McGuirk J.J.: Numerical Study of Single Impinging Jets Through a Crossflow. Journal of Aircraft, Vol. 26, No. 11, 1989, pp. 1002-1008.