شبیه‌سازی عددی پدیده شکسته‌شدن یک قطره در مسیر جریان گاز سرد و داغ و مطالعه دینامیک آن در میدان سه‌بعدی

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در مقاله حاضر، شبیه‌سازی دینامیک قطره و فرآیند شکسته‌شدن آن در جریان گاز سرد و داغ انجام شده و تاثیر پارامترهای فیزیکی بر الگوی جریان دوفازی مورد مطالعه قرار گرفته‌است. در این راستا، از حل عددی معادلات ناویر-استوکس با دو معادله برای دنبال کردن فصل مشترک و مدل‌سازی تبخیر و تقطیر بین قطره و گاز داغ اطراف آن استفاده شده‌است. جهت اطمینان از صحت و دقت الگوریتم عددی انتخاب شده برای مدل‌سازی فرآیند انتقال فاز بین مایع و بخار آن در کنار فاز گاز، مسئله یک‌بعدی استفان و جریان کوئت دوفازی شبیه‌سازی شده و نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی با نتایج حل تحلیلی مقایسه شده‌است. سپس، دینامیک شکسته‌شدن قطره در مسیر جریان گاز سرد در شرایط مختلف جریان شبیه‌سازی شده و نتایج به‌دست‌آمده مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌است. در نهایت، شبیه‌سازی دینامیک قطره و تبخیر و شکسته‌شدن آن در مسیر جریان گاز داغ انجام‌شده و نتایج حاصل از حل حاضر ارائه شده-است. نتایج به‌دست‌آمده در تحقیق حاضر نشان می‌دهند که نیروهای آیرودینامیکی و ناپایداری‌های کلوین-هلمهولتز و ریلی-تیلور نقش موثری در دینامیک قطره در مسیر جریان گاز سرد دارند.

کلیدواژه‌ها


[1]         Lefebvre A. H., McDonell V. G., Atomization and sprays, CRC Press, 2017.
[2]         Dai Z. and Faeth G. M., Temporal properties of secondary drop breakup in the multimode breakup regime, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 27, No. 2, pp. 217-236, 2001.
[3]         Hsiang L. P. and Faeth G. M., Near-limit drop deformation and secondary breakup, International Journal of Multiphase Flow, vol. 18, no. 5, pp. 635-652, 1992.
[4]         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, International Journal of Multiphase Flow, vol. 13, no. 6, pp. 741-757, 1987
[5]         Hsiang L. P. and Faeth G. M., Drop deformation and breakup due to shock wave and steady disturbances, International Journal of Multiphase Flow,Vol. 21, No. 4, pp. 545-560, 1995.
[6]         Cao X. K. et al., A new breakup regime of liquid drops identified in a continuous and uniform air jet flow, Physics of Fluids,Vol. 19, No. 5, pp. 057103, 2007.
[7]         Guildenbecher D. R., López-Rivera C., and Sojka P. E., Secondary atomization, Experiments in Fluids,Vol. 46, No. 3, pp. 371-402, 2009.
[8]         Quan S. and Schmidt D. P., Direct numerical study of a liquid droplet impulsively accelerated by gaseous flow, Physics of Fluids, Vol. 18, No. 10, pp. 102103, 2006.
[9]         Battistoni M. and Grimaldi C. N., Numerical analysis of injector flow and spray characteristics from diesel injectors using fossil and biodiesel fuels, Applied Energy, Vol. 20, pp. 656-666, 2012.
[10]       Yang W., et al., Transitions of deformation to bag breakup and bag to bag-stamen breakup for droplets subjected to a continuous gas flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 111, pp. 884-894, 2017.
[11]       Loth E., Quasi-steady shape and drag of deformable bubbles and drops, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 34, No. 6, pp. 523-546, 2008.
[12]       Helenbrook B. T. and Edwards C. F., Quasi-steady deformation and drag of uncontaminated liquid drops. International Journal of Multiphase Flow, Vol. 28, No. 10, pp. 1631-1657, 2002.
[13]       Kékesi T., Amberg G., and Wittberg L. P., Drop deformation and breakup in flows with shear, Chemical Engineering Science,Vol. 140, pp. 319-329, 2016.
[14]       Kékesi T., Amberg G. and Prahl Wittberg L. , Drop deformation and breakup, International Journal of Multiphase Flow, vol. 66, pp. 1-10, 2014
[15]       Janssen P. J. A. and Anderson P. D. , Boundary-integral method for drop deformation between parallel plates, Physics of Fluids, vol. 19, no. 4, p. 043602, 2007.
[16]       Guido S., Shear-induced droplet deformation: Effects of confined geometry and viscoelasticity, Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol. 16, no. 1, pp. 61-70, 2011.
[17]       Fakhari A. and Rahimian M. H., Simulation of falling droplet by the lattice Boltzmann method, Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, vol. 14, no. 7, pp. 3046-3055, 2009.
[18]       Komrakova A. E., Shardt O. , Eskin D. and Derksen J. J., Lattice Boltzmann simulations of drop deformation and breakup in shear flow, International Journal of Multiphase Flow, vol. 59, pp. 24-43, 2014.
[19]       Komrakova A. E., Shardt O., Eskin D. and Derksen J. J., Effects of dispersed phase viscosity on drop deformation and breakup in inertial shear flow, Chemical Engineering Science, vol. 126, pp. 150-159, 2015.
[20]       ANSYS Fluent Theory Guide, ANSYS, Inc, 2015.
[21]       Lee W. H.,  A Pressure Iteration Scheme for Two-Phase Flow Modeling, Multiphase Transport Fundamentals, Reactor Safety, Applications, Hemisphere, Washington, DC., pp. 61-82, 1980.
[22]       Son G. and Dhir V. K., Numerical Simulation of Film Boiling Near Critical Pressures with a Level Set Method, Journal of Heat Transfer, Vol. 120, No. 1, pp. 183, 1998.
[23]       Kays W. M., Crawford M. E., Convective Heat and Mass Transfer, Third Edition: McGraw-Hill, Inc, 1993.
[24]       Alexiades V., Mathematical Modeling of Melting and Freezing Processes, Hemisphere, Washington, DC: CRC Press, 1993.
[25]       Schlottke J. and Weigand B., Direct numerical simulation of evaporating droplets, Journal of Computational Physics, Vol. 227, No. 10, pp. 5215-5237, 2008.
[26]       Zhao H. et al., Transition Weber number between surfactant-laden drop bag breakup and shear breakup of secondary atomization, Fuel, Vol. 221, pp. 138-143, 2018.