[論文レビュー] An analytical and experimental study of secondary atomization for vibrational and bag breakup modes

Varun Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2023

Laser-induced spectroscopy and plasma被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、液体滴の振動およびバッグ破壊モードにおける二次原子化について、理論的および実験的考察を併用して行った。バッグ破壊の理論的We境界を導出し、バッグおよび滴の変形がWeber数に従って指数関数的に増大することを検証した。PDA測定を用いて、以前の推定値よりもSauter平均径（D32）が小さいことを報告し、粘性流体ではより大きな滴にシフトする傾向が明らかになった。

ABSTRACT

Bag breakup of drops has been a subject of interest for almost over a century. Several issues such as theoretical estimation of the regime boundary marking the onset of such breakup, bag growth rates, drop size distribution, and the effect of Weber number, $We$, and Ohnesorge number, $Oh$, on these quantities remains unaddressed. The current study aims to clarify aspects of the atomization process through experiments and theory. We examine bag breakup of a single drop of various inviscid and low viscosity fluids as it deforms in the presence of a continuous horizontal air jet. The We boundary at which bag breakup begins is theoretically determined and the expression obtained, $We = 12(1 + \frac{2}{3} Oh^2)$, is found to match well with existing experimental data. An exponential growth in the radial extent of the deformed drop and the streamline dimension of the bag is predicted by the theoretical model and confirmed by experimental findings. These quantities are observed to strongly depend on $We$. However, their dependence on $Oh$ is weak for the range of $Oh$ considered in this study. Subsequent to drop deformation, bag formation and expansion is the bursting process. This is marked by the disintegration of the bag owing to instability of the Rayleigh-Taylor type, followed by collapse of the liquid rim bounding this bag by Plateau-Rayleigh instability. The sizes of the drops thus produced are measured using Phase Doppler Anemometry (PDA) which is in contrast to shadowgraphs used in earlier studies. A discernible shift in the peak of the drop size distribution for viscous drops is seen which indicates a preponderance of drops of higher diameters vis-à-vis fragment size distribution for inviscid drops. Furthermore, an estimate of the Sauter mean diameter ($D_{32}$) is presented which is somewhat lower than earlier predictions.

研究の動機と目的

• 液体滴におけるバッグ破壊の発生の理論的および実験的根拠を明確化すること。
• バッグおよび滴の変形がWeber（We）およびOhnesorge（Oh）数にどのように依存するかを定量化すること。
• レイノルズ＝ターレス不安定性およびプラウト＝レイノルズ不安定性を含む、二次原子化メカニズムを調査すること。
• シャドウグラフ法に代わる方法よりも優れた精度で、Phase Doppler Anemometry（PDA）を用いて滴径分布を測定すること。
• Sauter平均径（D32）を推定し、それらを以前の理論的予測と比較すること。

提案手法

• 流体力学的原則に基づき、バッグ破壊のWeber数境界を理論的に導出：We = 12(1 + (2/3)Oh²)。
• 水平方向の空気ジェットを用いて滴を変形させ、バッグ破壊を誘発する実験的設定。
• 破裂後の滴径分布を測定するために、Phase Doppler Anemometry（PDA）の使用。
• 時間経過に伴う径方向の滴変形およびバッグのストリームライン寸法の増大を分析。
• バッグの破裂およびリムの崩壊を説明するため、レイノルズ＝ターレス不安定性およびプラウト＝レイノルズ不安定性モデルの適用。
• WeおよびOhの範囲にわたる理論的予測と実験データの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バッグ破壊の発生に際しての理論的Weber数閾値は何か。また、実験的観察とどの程度一致するか。
• RQ2 変形した滴の径方向拡大およびバッグのストリームライン寸法は時間経過とともにどのように変化するか。また、WeおよびOhにどのように依存するか。
• RQ3 粘度（Oh）は、バッグ破壊に続く二次原子化における滴径分布にどのように影響するか。
• RQ4 得られた滴のSauter平均径（D32）は何か。また、以前の理論的推定値と比較するとどうなるか。
• RQ5 PDAを用いた滴径分布測定は、従来のシャドウグラフ法と比較して、破裂後の滴特性をどのように異なるように捉えているか。

主な発見

• 理論的We境界（We = 12(1 + (2/3)Oh²)）は、既存の実験データと強く一致している。
• 変形した滴の径方向拡大およびバッグのストリームライン寸法は、主にWeber数に依存して指数関数的に増大する。
• 研究範囲内ではOhnesorge数への依存は弱く、粘度が変形ダイナミクスにほとんど影響しないことを示している。
• PDA測定により、非粘性滴とは対照的に、粘性滴では滴径分布のピークがより大きな直径にシフトしていることが明らかになった。
• 推定されたSauter平均径（D32）は、以前の理論的予測よりも低く、従来の予想よりも細かい原子化が起こっていることを示唆している。
• バッグの破裂はレイノルズ＝ターレス不安定性によって駆動され、その後、プラウト＝レイノルズ不安定性によって液体リムが収縮する。これは、観察された滴形成と整合的である。