Numerical modeling of superheated jet atomisation
Authors: Λύρας Κωνσταντίνος 
Published: February 2022

Ο στόχος αυτού του ερευνητικού έργου είναι να παράσχει στην ακαδημαϊκή και βιομηχανική κοινότητα ένα αριθμητικό εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή σεναρίων σπηλαίωσης ακραίας ροής και διαδικασία ψεκασμού αυτών των πολυφασικών πίδακες σε περιβάλλον χαμηλής πίεσης. Η έρευνα βρίσκεται στη διασταύρωση της Αριθμητικής Ανάλυσης, της Εφαρμοσμένης Φυσικής και του Προγραμματισμού. Από από φυσική άποψη, το έργο έχει δύο διαφορετικά σκέλη: Το πρώτο είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τις ροές καναλιών λόγω ταχείας πτώσης πίεσης που είναι δυνατόν να οδηγήσει σε διάφορα καθεστώτα ροής μέσα στο κανάλι. Το δεύτερο βήμα είναι η παρακολούθηση του κατακερματισμού του υγρού του πίδακα υγρού κατάντη της εξόδου του καναλιού και η περιγραφή της διαδικασίας ψεκασμού σε υγρό συνδέσμους και σταγονίδια.Χρησιμοποιώντας μια πλήρως Eulerian προσέγγιση, αυτή η έρευνα στοχεύει σε μια ολιστική προσέγγιση που αντιμετωπίζει μερικές από τις κύριες προκλήσεις που διέπουν την εξαέρωση των υπερθερμασμένων πίδακες. Το πεπερασμένο Η μέθοδος όγκων σε ένα συμπιέσιμο πλαίσιο χρησιμοποιείται χρησιμοποιώντας διάφορα μοντέλα για τη μοντελοποίηση της φυσικής βάσης των πίδακες που αναβοσβήνουν. Αναβοσβήνει είτε εάν ακολουθεί ένα υγρό ισοθερμική αποσυμπίεση ή ισοβαρική θέρμανση. Και στις δύο περιπτώσεις, το υγρό αποτυγχάνει να προσαρμοστεί στις τοπικές μεταβολές της πίεσης και της θερμοκρασίας, επιτρέποντας μια μετασταθερή κατάσταση που κάνει το διαδικασία πιο προκλητική στην κατανόηση. Το Homogeneous-Relaxation-Model (HRM) χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση της μεταφοράς θερμότητας υπό συνθήκες ξαφνικής αποσυμπίεσης για την παραγωγή ατμών χωρίς ισορροπία. Προτείνεται μια νέα εξίσωση πίεσης που χρησιμοποιεί την εξίσωση συνέχειας έμμεσα. Η πίεση ανταποκρίνεται στη συμπιεστότητα και Η πυκνότητα αλλάζει λόγω της ταχείας αλλαγής φάσης και περιλαμβάνει τη συμβολή της επιφανειακής τάσης στον αλγόριθμο σύζευξης πίεσης-ταχύτητας. Η σύζευξη της συνέχειας και της ορμής περιγράφεται διεξοδικά η εξίσωση με το HRM και η μέθοδος παρακολούθησης της διεπαφής. Το αποτέλεσμα αυτής της σύζευξης είναι μια συντηρημένη αριθμητική μέθοδος που είναι ικανή να χαρακτηρίσει τη ροή καθεστώτα και την επίδραση της πυρήνωσης φυσαλίδων στον ρυθμό ροής μάζας.Η παρούσα μελέτη παρουσιάζει μια αριθμητική προσέγγιση για την προσομοίωση της ψεκασμού υγρών που αναβοσβήνουν λαμβάνοντας υπόψη τα διακριτά στάδια, από τον πρωτογενή ψεκασμό έως τη δευτερογενή διάσπαση έως μικρά σταγονίδια Ακολουθώντας την προσέγγιση Eulerian-Lagrangian-Spray-Atomisation, η έννοια της επιφανειακής πυκνότητας Σ εισάγεται στη μεθοδολογία για τη δυναμική του ψεκασμού. Η προτεινόμενη προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα ότι αποφεύγει τη μη ρεαλιστική κοινή υπόθεση καθαρού υγρού στην έξοδο του ακροφυσίου. Μοντελοποιεί την αλλαγή στο καθεστώς μέσα στην επεξεργασία του ακροφυσίου αναβοσβήνει σε μια ενοποιημένη προσέγγιση που προσομοιώνει τον μετασταθερό πίδακα τόσο μέσα όσο και έξω από το ακροφύσιο. Σημαντικοί μηχανισμοί όπως η θερμική μη ισορροπία, η αεροδυναμική διάσπαση, oι συγκρούσεις σταγονιδίων και η εξάτμιση μοντελοποιούνται σε ένα νέο μοντέλο ψεκασμού. Η τροποποιημένη Σ-εξίσωση χρησιμοποίησε έναν νέο όρο πηγής που προτείνεται για κρυογονικούς πίδακες. Ένα ευρύ φάσμα αριθμητικών δοκιμών παρουσιάζονται για επικύρωση και απόκτηση γνώσεων για την υποκείμενη φυσική. Οι κοντές και οι μεγάλες γεωμετρίες των ακροφυσίων ελέγχονται τόσο για απελευθέρωση χαμηλής όσο και για υψηλή πίεση για αναλαμπή νερό, R134A, υγρό άζωτο και LNG. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τυρβώδεις ροές τόσο για υποψυγμένα όσο και για υπέρθερμα υγρά που δείχνουν ότι η προτεινόμενη προσέγγιση μπορεί με ακρίβεια προσομοίωση της πρωτογενούς ψεκασμού.