[論文レビュー] Liquid Atomization out of a Full Cone Pressure Swirl Nozzle

Nicolas Rimbert, G. Castanet|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2010

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、数値的・理論的・実験的手法を統合して、フルコーン圧力スイーブノズル内の液体原子化を調査し、ノズル内部に二重流れ構造が存在することを明らかにした。また、小さな液滴がテイラー長スケール付近に現れる原因は、線形不安定性ではなく乱流スケーリングに起因することを示した。液滴径分布の安定性指数1.35は、らせん乱流の影響を受ける対数安定則に一致しており、理論的予測とは異なる。

ABSTRACT

A thorough numerical, theoretical and experimental investigation of the liquid atomization in a full cone pressure swirl nozzle is presented. The first part is devoted to the study of the inner flow. CAD and CFD software are used in order to determine the most important parameters of the flow at the exit of nozzle. An important conclusion is the existence of two flow regions: one in relatively slow motion (the boundary layer) and a second nearly in solid rotation at a very high angular rate (about 100 000 rad/s) with a thickness of about 4/5th of the nozzle section. Then, a theoretical and experimental analysis of the flow outside the nozzle is carried out. In the theoretical section, the size of the biggest drops is successfully compared to results stemming from linear instability theory. However, it is also shown that this theory cannot explain the occurrence of small drops observed in the stability domain whose size are close to the Kolmogorov and Taylor turbulent length scale. A Phase Doppler Particle Analyser (PDPA) is used to characterize the droplet size and velocity distribution. Due to centrifugal force, the smaller droplets tend to prevail on the spray axis and a peak close to the Taylor length scale appears progressively in the PDF when increasing the distance from the nozzle. It is then assumed that these small droplets are the results of a turbulent cascading atomization process and that in the near nozzle area, since centrifugal segregation is small, PDF can therefore be fitted with a log-stable law (Rimbert and Séro-Guillaume, 2004). The value of the stability index is found to be 1.35 very close to a previous experimental result of 1.39 (Rimbert and Delconte, 2007) but far from a known theoretical value of 1.70 (Rimbert, 2010). This let think about a slightly different underlying process due to the helical nature of the turbulence.

研究の動機と目的

• フルコーン圧力スイーブノズル内の内部流れのダイナミクスおよび原子化メカニズムを理解すること。
• 特に小さな液滴の起源を特定することに寄与する支配的物理過程を同定すること。
• 位相ドップラー・アンブリュアメータ（PDA）からの実験データと理論的モデルの液滴径分布を検証すること。
• 線形不安定性理論と乱流スケーリングのどちらが、観測された液滴径分布をよりよく説明するかを特定すること。
• 近ノズル領域の液滴径データに対して、対数安定分布モデルの適用可能性を評価すること。

提案手法

• 内部流れ構造の分析および主要な流れ領域の同定を目的とした、CFDシミュレーションとCADモデリングの統合。
• スプレー内の最大液滴径を予測するための線形不安定性理論の適用。
• ノズルからの距離を変化させた条件下で、液滴径および速度分布を測定するための位相ドップラー粒子アナライザー（PDPA）の使用。
• コルモゴロフおよびテイラー長スケール付近での小さな液滴の形成を説明するための乱流スケーリングプロセスの理論的分析。
• 液滴径確率密度関数（PDF）を対数安定分布にフィットさせ、安定性指数を決定すること。
• 実験的安定性指数（1.35）を、先行実験値（1.39）および理論的値（1.70）と比較し、背後にある物理的メカニズムを推察すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルコーン圧力スイーブノズル内部の支配的流れ構造は何か。また、それらは原子化にどのように影響を与えるか。
• RQ2 線形不安定性理論の予測とは反して、テイラー長スケール付近の小さな液滴が安定領域に現れる理由は何か。
• RQ3 液滴径分布がどの程度まで対数安定則で記述可能か。安定性指数は、背後にある乱流の性質をどのように示すか。
• RQ4 乱流スケーリングプロセスは、近ノズル領域における微細液滴の形成にどのように寄与するか。
• RQ5 実験的に導かれた安定性指数（1.35）が理論的値（1.70）よりも顕著に低いのはなぜか。

主な発見

• ノズル内部には2つの明確な流れ領域が存在する：速度が遅い境界層と、約100,000 rad/sで回転する高速コアで、ノズル断面の約4/5の厚さを占める。
• 線形不安定性理論は最大液滴径をうまく予測できるが、テイラー長スケール付近の小さな液滴の存在を説明できない。
• 位相ドップラー・アンブリュアメータ（PDPA）の結果から、小さな液滴が遠心分離によりスプレー軸上に蓄積され、テイラー長スケール付近のPDFピークがノズルからの距離とともに増大することが明らかになった。
• 近ノズル領域の液滴径分布は、安定性指数1.35の対数安定則に良く適合しており、先行実験値（1.39）に近く、理論的値（1.70）とは顕著に異なる。
• 安定性指数の乖離は、異なる背後プロセスを示唆しており、おそらくスイーブリング流れにおける乱流のらせん構造が関係している。
• 小さな液滴の形成は、線形不安定性ではなく、乱流スケーリングメカニズムによるものであり、原子化における回転と乱流の複雑な相互作用を示している。