Analysis of primary atomization in sprays using Direct Numerical Simulation

Abstract

[ES] La comprensión de los fenómenos físicos que acontecen en la región densa (también conocida como campo cercano) durante la atomización de los sprays ha sido una de las mayores incógnitas a la hora de estudiar sus aplicaciones. En el sector industrial, el rango de interés abarca desde toberas en aplicaciones propulsivas a sprays en aplicaciones médicas, agrícolas o culinarias. Esta evidente falta de conocimiento obliga a realizar simplificaciones en la modelización, provocando resultados poco precisos y la necesidad de grandes caracterizaciones experimentales en la fase de diseño. De esta manera, los procesos de rotura del spray y atomización primaria se consideran problemas físicos fundamentales, cuya complejidad viene dada como resultado de un flujo multifásico en un régimen altamente turbulento, originando escenarios caóticos.

El análisis de este problema es extremadamente complejo debido a la ausencia sustancial de teorías validadas referentes a los fenómenos físicos involucrados como son la turbulencia y la atomización. Además, la combinación de la naturaleza multifásica del flujo y su comportamiento turbulento resultan en una gran dificultad para afrontar el problema. Durante los últimos 10 años, las técnicas experimentales han sido finalmente capaces de visualizar la región densa, pero la confianza, análisis y efectividad de dichos experimentos en esta región del spray todavía requiere de mejoras sustanciales.

En este contexto, esta tesis trata de contribuir al entendimiento de estos procesos físicos y de proporcionar herramientas de análisis para estos flujos tan complejos. Para ello, mediante Direct Numerical Simulations se ha afrontado el problema resolviendo las escalas de movimiento más pequeñas, y capturando todas las escalas de turbulencia y eventos de rotura.

Uno de los objetivos de la tesis ha sido evaluar la influencia de las condiciones de contorno del flujo entrante en la atomización primaria y en el comportamiento turbulento del spray. Para ello, se han empleado dos condiciones de contorno diferentes. En primer lugar se ha empleado una condición de contorno sintética para producir turbulencia homogenea a la entrada, simulando el comporamiento de la tobera. Una de las características más interesantes de este método es la posibilidad de retocar los parámetros dentro del algoritmo. En particular, la escala de longitud integral se ha variado para evaluar la influencia de las estructuras mas grandes de la tobera en la atomización primaria.

El análisis de la condición de contorno sintética también ha permitido el diseño óptimo de simulaciones de las cuales se han derivado estadísticas turbulentas significativas. En este escenario, se han llevado a cabo estudios más profundos sobre la influencia de propiedades de las estructuras turbulentas como la homogeneidad y la anisotropía tanto en el espectro de los flujos como en las estadísticas de las gotas. Para tal fin, se han desarrollado metodologías novedosas para computar el análisis espectral y la estadística de las gotas

Entre los resultados de este análisis destaca la independencia de la condición de contorno de entrada en las estadísticas de las gotas, mientras que por otra parte, recalca que las características turbulentas desarrolladas en el interior de la tobera afectan a la cantidad total de masa atomizada. Estas consideraciones se encuentran respaldadas por el análisis espectral realizado, mediante el cuál se concluye que la turbulencia multifásica comparte el comportamiento universal descrito por las teorías de Kolmogorov.

[CA] La comprensió dels fenòmens físics que succeïxen en la regió densa (també coneguda com a camp pròxim) durant l'atomització dels sprays ha sigut una de les majors incògnites a l'hora d'estudiar les seues aplicacions. En el sector industrial, el rang d'interés comprén des de toveres en aplicacions propulsives a sprays en aplicacions mèdiques, agrícoles o culinàries. Esta evident falta de coneixement obliga a realitzar simplificacions en la modelització, provocant resultats poc precisos i la necessitat de grans caracteritzacions experimentals en la fase de disseny. D'esta manera, els processos de ruptura del spray i atomització primària es consideren problemes físics fonamentals, la complexitat dels quals ve donada com resultat d'un flux multifàsic en un règim altament turbulent, originant escenaris caòtics.

L'anàlisi d'este problema és extremadament complex a causa de l'absència substancial de teories validades dels fenòmens físics involucrats com són la turbulència i l'atomització. A més, la combinació de la naturalesa multifàsica del flux i el seu comportament turbulent resulten en una gran dificultat per a afrontar el problema. Durant els últims 10 anys les tècniques experimentals han sigut finalment capaces de visualitzar la regió densa, però la confiança, anàlisi i efectivitat dels experiments en esta regió del spray encara requerix de millores substancials.

En este context, esta tesi tracta de contribuir en l'enteniment d'estos processos físics i de proporcionar ferramentes d'anàlisi per a estos fluxos tan complexos. Per a això, per mitjà de Direct Numerical Simulations s'ha afrontat el problema resolent les escales de moviment més menudes, al mateix temps que es capturen totes les escales de turbulència i esdeveniments de ruptura.

Un dels objectius de la tesi ha sigut avaluar la influència que les condicions de contorn del flux entrant tenen en l'atomització primària i en el comportament turbulent del spray. Per a això, s'han empleat dos condicions de contorn diferents. En primer lloc s'ha empleat una condició de contorn sintètica per a produir turbulència homogènia a l'entrada, simulant el comportament de la tovera. Una de les característiques més interessants d'este mètod és la possibilitat de retocar els paràmetres dins de l'algoritme. En particular, l'escala de longitud integral s'ha variat per a avaluar la influència de les estructures mes grans de la tovera en l'atomització primària.

L'anàlisi de la condició de contorn sintètica també ha permés el disseny òptim de simulacions de les quals s'han derivat estadístiques turbulentes significatives. En este escenari, s'han dut a terme estudis més profunds sobre la influència de propietats de les estructures turbulentes com l'homogeneïtat i l'anisotropia tant en l'espectre dels fluxos com en les estadístiques de les gotes. Per a tal fi, s'han desenrotllat metodologies noves per a computar l'anàlisi espectral i l'estadística de les gotes.

Entre els resultats d'esta anàlisi destaca la independència de la condició de contorn d'entrada en les estadístiques de les gotes, mentres que d'altra banda, es recalca que les característiques turbulentes desenrotllades en l'interior de la tovera afecten a la quantitat total de massa atomitzada. Estes consideracions es troben recolzades per l'anàlisi espectral realitzat, per mitjà del qual es conclou que la turbulència multifásica compartix el comportament universal descrit per les teories de Kolmogorov.

[EN] The understanding of the physical phenomena occurring in the dense region (also known as near field) of atomizing sprays has been long seen as one of the biggest unknown when studying sprays applications. The industrial range of interest goes from nozzles in combustion and propulsion applications to medical sprays, agricultural and food process applications. This substantial lack of knowledge is responsible for some important simplification in modeling, that often result to be inaccurate or simply partial, leading to the evident need of large experimental characterization during the design phase. In fact, the spray breakup and primary atomization processes are indeed fundamental problems of physics, which complexity results from the combination of a multiphase flow in a highly turbulent regime that leads to chaotic scenarios.

The analysis of this problem is extremely problematic, due to a substantial lack of definitive theories about the physical phenomena involved, namely turbulence and atomization. Furthermore, the combination of the multiphase nature of the flow and its turbulent behavior makes substantially difficult to address the problem. Only within the last 10 years, experimental techniques have been capable of visualizing the dense region, but the experiments reliability, analysis and effectiveness in this region still requires vast improvements.

In this scenario, this thesis aims to contribute in the understanding of these physical process and to provide analysis tools for these complex flows. In order to do so, Direct Numerical Simulations have been used for addressing the problem at its smallest scale of motion, while reliably capturing all turbulence scales and breakup events. The multiphase nature of the flow is accounted for by using the Volume of Fluid method.

One of the goal of the thesis was to assess the influence of the inflow boundary conditions on the primary atomization and on the spray's turbulence behavior. In order to do so, two different boundary conditions were used. In a first place, a synthetic inflow boundary condition was used in order to produce a homogeneous turbulence inflow, simulating the nozzle behavior. One of the interesting features of this method was the possibility of tweaking the parameters within the algorithm. In particular, the integral length scale was varied in order to assess the influence of nozzle larger turbulent structures on the primary atomization.

The analysis on the synthetic boundary condition also allowed to optimally design simulations from which derive meaningful turbulence statistics. On this framework, further studies were carried over on the influence of turbulent structures properties, namely homogeneity and anisotropy, on both the flows spectra and droplets statistics. In order to achieve this goal, novel procedures for both computing the flow spectra and analyzing droplets were developed and are carefully addressed in the thesis.

The results of the analysis highlight the independence of droplets statistics from the inflow boundary condition, while, on the other hand, remarking how the total quantity of atomized mass is significantly affected by the turbulence features developed within the nozzle. This considerations are supported by the spectrum analysis performed, which also highlighted how multiphase turbulence shares the universal features described in Kolmogorov theories.