مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهبود روش تحلیل ناپایداری خطی لایه سیال توخالی خروجی از اتمایزر جریان چرخشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی شریف،دانشکده مهندسی مکانیک، تهران، ایران
2 دانشگاه علم و صنعت دانشکده مهندسی مکانیک
چکیده
در مقاله حاضر، به مطالعه آنالیز ناپایداری حرکت امواج روی سطح جت مایع خروجی از اتمایزر جریان چرخشی با وجود هوای داخل و خارج تا قبل از شکست اولیه پرداخته شده است. نیروهای اینرسی، فشار، ویسکوزیته و تنش سطحی در سطح مشترک مایع-گاز عمل می کنند. مجموع اثر این نیروها موجب رشد و افزایش نوسانات ریز و ناچیز موجود در جریان می شود. رشد این نوسانات موجب ناپایداری لایه مایع و شکست آن به لیگامنت و در نهایت تعداد زیادی قطره می شود. الگوی خطی استفاده شده در این مقاله، با الگو های قبلی متفاوت و می توان گفت بهبود یافته روش قبلی است. وجه تمایز این روش در این است که معادلات با در نظر گرفتن این نکته که جت به شکل مخروط توخالی از اتمایزر خارج می شود استخراج شده است. در این حالت معادلات حاکم به گونه ای است که امکان حل تحلیلی آن ها وجود ندارد. به همین منظور از روشی نیمه تحلیلی و عددی استفاده شده است. روش حل نیز به گونه ای است که این امکان را فراهم می سازد شکست اولیه جت را در حالات مختلف، از زاویه پاشش 0 تا 180 درجه، مدل سازی کرد. به منظور اعتبار سنجی با رسم شکل هایی، نتایج روش خطی بهبود یافته با نتایج تجربی و تحلیلی موجود، مقایسه شده است. مقایسه نشان می دهد که روش خطی مورد استفاده در این مقاله تطابق بیشتری با نتایج تجربی دارد. همچنین نتایج نشان می دهد مدل حاضر طول شکست را با دقت بهتری پیش بینی می کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Improvement of Linear Instability Analysis of an Annular Liquid Jet Emanating from a Swirl Injector

نویسندگان English

Ramin Ghorbani 1
Seyed Mostafa Hosseinalipoor 2
1 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science & Technology
چکیده English

In this paper, the instability of wave motion on the surface of liquid sheet emanating from a swirl injector exposed to inner and outer air streams, before the breakup is considered using the linear instability analysis by a perturbation method. The forces acting on a liquid gas interface in sprays, including surface tension, pressure, inertia force, centrifugal force and viscous force, lead to grow the disturbances originated from inside the injector on the outgoing liquid sheet. Interaction between these forces ultimately breaks up the jet into the ligaments. The linear instability analysis used in the present study is different from prior analysis. A cylindrical liquid sheet has been considered in previous studies but the present study implements the linear instability on a conical annular liquid sheet. Due to the complexity of derived governing equations a semi-analytical and numerical method was utilized in the solution procedure. The present model is capable to solve governing equations for the liquid jet with large range of spray angle. The predicted results compared with the prior studies results and experiments. The results of the current model in comparison with prior models have better accordance with experimental data. Also, the results show that the improved linear theory (the present model) predicts the breakup length better than linear theory.

کلیدواژه‌ها English

Spray
Linear Instability Analysis
Primary Breakup
[1] A. Lefebvre, V. McDonell, Atomization and Sprays, Second Edition. Boca Raton: CRC Press LLC, pp. 1-9, 2017.
[2] S. Lin, Breakup of Liquid Sheets and Jets, Cambridge
[u.a.]: Cambridge University Press, pp 1-5, 2003.
[3] W. Sirignano, C. Mehring, Review of theory of distortion and disintegration of liquid streams, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 26, No. 4-6, pp. 609-655, 2000.
[4] Y. Liao, S. Jeng, M. Jog, M. Benjamin, Advanced Sub-model for airblast atomizers, Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, No. 2, pp. 411-417, 2001.
[5] A. Ibrahim, M. Jog, Nonlinear instability of an annular liquid sheet exposed to gas flow, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 34, No. 7, pp. 647-664, 2008.
[6] C. Mehring, W. Sirignano, Nonlinear capillary waves on swirling, axisymmetric free liquid films, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 27, No. 10, pp. 1707-1734, 2001.
[7] A. Ibrahim, Comprehensive Study of Internal Flow Field and Linear and Nonlinear Instability of an Annular Liquid Sheet Emanating from an Atomizer, Cincinnati, Ohio: Ph.D Dissertation, University of Cincinnati, 2006.
[8] S. A. Mahdavi, F. Ommi, The effect of rotation of air flow on spray atomization with hollow cone, 8 th International Aerospace Conference, Malek-Ashtar University of Technology, january 2007. (in Persian فارسی(
[9] E. Ibrahim, T. McKinney, Injection characteristics of non-swirling and swirling annular liquid sheets, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol. 220, No. 2, pp. 203-214, 2006.
[10] K. Yan, M. A. Jog, Z. Ning, Nonlinear spatial instability of an annular swirling viscous liquid sheet, Acta Mechanica, Vol. 224, No. 12, pp. 3071- 3090, 2013.
[11] S. A. Mahdavi, F. Ommi, E. Movahednejad, S. M. Hosseinalipour, Estimation of the breakup length for the annular and the round liquid jet using linear instability analysis, ASME Fluids Engineering Summer Meeting, Colorado, 2013
[12] N. Dombrowski, P. Hooper, The effect of ambient density on drop formation in sprays, Chemical Engineering Science, Vol. 17, No. 4, pp. 291-305, 1962.
[13] P. Senecal, D. Schmidt, I. Nouar, C. Rutland, R. Reitz, M. Corradini, Modeling high-speed viscous liquid sheet atomization, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 25, No. 6-7, pp. 1073-1097, 1999.
[14] N. Dombrowski, W. Johns, The aerodynamic instability and disintegration of viscous liquid sheets, Chemical Engineering Science, Vol. 18, No. 7, p. 470, 1963.
[15] K. Sallam, Z. Dai, G. Faeth, Liquid breakup at the surface of turbulent round liquid jets in still gases, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 28, No. 3, pp. 427-449, 2002.
[16] C. Bruce, Dependence of ink jet dynamics on fluid characteristics, IBM Journal of Research and Development, Vol. 20, No. 3, pp. 258-270, 1976.