Computational and Experimental Study of the Primary Atomisation Process under Different Injection Conditions

Abstract

[ES] El proceso de atomización primaria es el mecanismo por el cual una vena líquida se disgrega en un ambiente gaseoso. Este proceso está presente en muchas aplicaciones de ingeniería realizando diferentes tareas. En ocasiones es un paso previo antes de ser quemado, como en la industria energética o de propulsión, donde el objetivo es extraer la energía específica del líquido. En otros sectores, como el revestimiento o la extinción de incendios, el objetivo es maximizar el área cubierta por el chorro. Sin embargo, aunque la atomización es una parte fundamental de varios procesos industriales, está lejos de comprenderse por completo. El proceso de atomización es una mezcla de fenómenos de interacción gas-líquido dentro de un campo turbulento que tiene lugar en el campo cercano, que es la región más densa del chorro.

Cuando se trata de arrojar luz sobre el proceso de atomización primaria, el problema principal es la falta de teorías físicas definitivas capaces de vincular los complejos eventos de ruptura con la turbulencia. El principal obstáculo que impide investigar el proceso de atomización primaria es la incapacidad de las técnicas ópticas clásicas para proporcionar información de la región densa del chorro. Solo en los últimos años, las nuevas técnicas basadas en rayos X podrían proporcionar nueva información sobre las características de la atomización cerca de la salida de la tobera. Esto también afecta a los modelos computacionales de atomización primaria que, al no disponer de información experimental sobre la región densa, requieren una calibración precisa de sus constantes para proporcionar resultados fiables en el campo lejano.

Esta tesis se centra en mejorar el conocimiento del proceso de atomización primaria, especialmente en cómo las condiciones de inyección afectan el desarrollo del chorro en el campo cercano desde dos puntos de vista diferentes. Por un lado, con un enfoque computacional usando Direct Numerical Simulations y, por otro lado, experimentalmente usando Near-Field Microscopy.

El estudio computacional se centra en variar los números de Reynolds y Weber de inyección. Los resultados muestran que aumentar el número de Reynolds mejora la desintegración del líquido, mostrando un aumento de las gotas generadas y una nube de gotas más fina. Sin embargo, la falta de un perfil turbulento de flujo de entrada completamente desarrollado conduce a comportamientos inesperados en la longitud de ruptura de la vena líquida que también aumenta con el número de Reynolds. El número de gotas también aumenta cuando aumenta el número de Weber, pero los tamaños característicos de las gotas siguen siendo los mismos. La longitud de ruptura no varía, lo que sugiere que las variaciones de la tensión superficial afectan la ruptura de las gotas y los ligamentos, pero no la desintegración del núcleo líquido en sí. Con los resultados obtenidos de ambos estudios, se propone un modelo fenomenológico que predice la distribución del tamaño de gota en función de las condiciones de inyección.

Además, también se ha estudiado el efecto de usar toberas elípticas. Se ha obtenido que el número de gotas detectadas aumenta en comparación con el chorro redondo manteniendo ángulos de apertura del chorro similares. Sin embargo, cuando se utilizan toberas extremadamente excéntricas, la disminución de la turbulencia del flujo de entrada contrarresta los beneficios de este tipo de inyectores.

En cuanto al análisis experimental, usar Near-Field Microscopy permite magnificar la región densa y analizar las características macroscópicas del chorro. Por lo tanto, se varían las presiones de inyección y descarga, centrándose en el ángulo de apertura del chorro. Se observa el aumento esperado en el ángulo al aumentar tanto la presión de inyección como la de descarga. Sin embargo, adicionalmente, se realiza un análisis de las perturbaciones del contorno del chorro, concluyendo que, al aumentar la presión de inyección, y por lo tanto la turbulencia del flujo de

[CA] El procés d'atomització primària és el mecanisme pel qual una vena líquida es disgrega en un ambient gasós. Aquest procés és present en moltes aplicacions d'enginyeria fent diferents tasques. De vegades és un pas previ abans de ser cremat, com ara en la indústria energètica o de propulsió, on l'objectiu és extraure l'energia específica del líquid. En altres sectors, com ara el revestiment o l'extinció d'incendis, l'objectiu és maximitzar l'àrea coberta pel doll. No obstant això, tot i que l'atomització és una part fonamental de diversos processos industrials, està lluny de comprendre's per complet. El procés d'atomització és una barreja de fenòmens d'interacció gas-líquid dins d'un camp turbulent que té lloc en el camp pròxim, que és la regió més densa del doll. Quan es tracta de donar llum sobre el procés d'atomització primària, el problema principal és la falta de teories físiques definitives capaces de vincular els complexos esdeveniments de trencament amb la turbulència. El principal obstacle que impedeix investigar el procés d'atomització primària és la incapacitat de les tècniques òptiques clàssiques per a proporcionar informació de la regió densa del doll. Només en els últims anys, les noves tècniques basades en raigs X podrien proporcionar nova informació sobre les característiques de l'atomització prop de l'eixida de la tovera. Això també afecta els models computacionals d'atomització primària que, en no disposar d'informació experimental sobre la regió densa, requereixen un calibratge precís de les seues constants per a proporcionar resultats fiables en el camp llunyà. Aquesta tesi se centra a millorar el coneixement del procés d'atomització primària, especialment en com les condicions d'injecció afecten el desenvolupament del doll en el camp pròxim des de dos punts de vista diferents. D'una banda, amb un enfocament computacional usant Direct Numerical Simulations i, d'altra banda, experimentalment usant Near-Field Microscopy. L'estudi computacional se centra a variar els nombres de Reynolds i Weber d'injecció. Els resultats mostren que augmentar el nombre de Reynolds millora la desintegració del líquid, tot mostrant un augment de les gotes generades i un núvol de gotes més fi. No obstant això, la falta d'un perfil turbulent de flux d'entrada completament desenvolupat condueix a comportaments inesperats en la longitud de ruptura de la vena líquida que també augmenta amb el nombre de Reynolds. El nombre de gotes també augmenta quan creix el nombre de Weber, però les grandàries característiques de les gotes continuen sent les mateixes. La longitud de ruptura no varia, la qual cosa suggereix que les variacions de la tensió superficial afecten la ruptura de les gotes i els lligaments, però no la desintegració del nucli líquid en ell mateix. Amb els resultats obtinguts de tots dos estudis, es proposa un model fenomenològic que prediu la distribució de la grandària de gota en funció de les condicions d'injecció. A més, també s'ha estudiat l'efecte d'usar toveres el·líptiques. S'ha obtingut que el nombre de gotes detectades augmenta en comparació amb el doll redó tot mantenint angles d'obertura del doll similars. No obstant això, quan s'utilitzen toveres extremadament excèntriques, la disminució de la turbulència del flux d'entrada contraresta els beneficis d'aquesta mena d'injectors. Quant a l'anàlisi experimental, usar Near-Field Microscopy permet magnificar la regió densa i analitzar les característiques macroscòpiques del doll. Per tant, es varien les pressions d'injecció i descàrrega, tot centrant-se en l'angle d'obertura del doll. S'observa l'augment esperat en l'angle en augmentar tant la pressió d'injecció com la de descàrrega. No obstant això, addicionalment, es realitza una anàlisi de les pertorbacions del contorn del doll i es conclou que en augmentar la pressió d'injecció, i per tant la turbulència del flux d'entrada, augmenten les pertorbacions en el contorn del ruixat, especialment a pressions de descàrrega mé

[EN] The primary atomisation process is the mechanism by which a liquid vein breaks into droplets in a gaseous ambient. This process is present in many engineering applications accomplishing different tasks. Sometimes it is a previous step before being burned, as in the energy or propulsion industry, where the objective is to extract the specific energy of the liquid. In other sectors, such as the coating or fire extinction, the objective is to maximise the area covered by the droplet cloud. However, although atomisation is a fundamental part of several industrial processes, it is far from fully understood. The atomisation process is a mixture of gas-liquid interaction phenomena within a turbulent field that takes place in the near-field, which is the denser region of the spray.

When trying to shed light on the primary atomisation process, the main issue is the lack of definitive physical theories able to link the complex breakup events and the turbulence. The principal impediment that prevents the investigation from breaking through the atomisation process is the inability of the classic optical techniques to provide information from the dense region of the spray. Only in the last years, newer techniques based on X-Ray could provide new information on spray characteristics near the nozzle outlet. This also affects the computational primary atomisation models that, as there is no available experimental information on the dense region, require an accurate calibration of their constants to provide reliable results on the far-field.

This thesis focuses on improving the knowledge of the primary atomisation process, especially on how the injection conditions affect the spray development in the near field from two different standpoints. On the one hand, with a computational approach using Direct Numerical Simulations and on the other hand, experimentally using Near-Field Microscopy.

The computational study is focused on varying the inflow Reynolds and Weber numbers. Results show that increasing the Reynolds number improves the liquid disintegration, exhibiting an increase of generated droplets and a finer droplet cloud. However, the lack of a fully developed inflow turbulent profile leads to characteristic behaviours on the breakup length of the spray that also increases with the Reynolds number. The number of droplets increases when the Weber number increases, but the characteristic droplet sizes remain the same. The breakup length does not vary, suggesting that the surface tension variations affect the droplet and ligament breakup but not the core disintegration itself. With the results obtained from both studies, a phenomenological model is proposed to predict the droplet size distribution depending on the injection conditions.

Additionally, using elliptical nozzles, the number of detected droplets increases compared with the round spray and maintain similar spray apertures. However, when using extremely eccentric nozzles, the inflow turbulence decrease counteracts the elliptical sprays' benefits.

Regarding the experimental analysis, the Near-Field Microscopy magnifies the dense region and analyses the macroscopic features on the spray. So the injection and discharge pressure are varied, and the spotlight is put on the spray angle. The expected increase in the spray angle when increasing both the injection and discharge pressure is observed. Nevertheless, additionally, an analysis of the spray contour perturbations is performed, concluding that increasing the injection pressure, and thus the inflow turbulence, increases the perturbations on the spray contour, especially at lower discharge pressures.