[論文レビュー] Possible, Impossible, and Expected Diameters and Production Rates of Droplets in Aerosols and Sprays

Maksim Mezhericher, Howard A. Stone|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 61被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、質量とエネルギーの保存則に基づく理論的枠組みを構築し、液体の原子化プロセスにおける可能な、不可能な、期待されるドロップレット径および流量を予測する。オーナショール数とN数を無次元パラメータとして用いた原子化図を導入することで、新規のガスジェット駆動原子化ノズルおよび従来の圧力ノズルにおけるサブミクロンドロップレット生成を正確に予測し、広範な液体の物性および流量条件下で実験データと強い一致を示した。

ABSTRACT

Liquid atomization processes generating sprays and aerosols of droplets are used in many delivery and coating systems involving pure solvents, solutions, and suspensions. In our recent experimental work, we introduced a novel liquid atomization process generating micro-sprays and aerosols of submicron-diameter droplets for pure solvents, solutions, and suspensions: gas jets disintegrate thin liquid films that are formed as bubbles approach a liquid surface. Here we develop a theoretical description of droplet sizes and flow rates, using the first principles of conservation of mass and energy, and accounting for the ratios of specific energies and the ratios of specific energy rates provided by the atomizing gas and dissipated by the atomized liquid. We introduce atomization diagrams as a graphical tool to determine possible, impossible, and expected droplet diameters and specific flow rates in aerosols and sprays produced under various conditions. We find a reasonable agreement between the theory and experiments for five different liquids converted into aerosols of submicron-diameter droplets by an atomization process where gas jets disintegrate thin liquid films that are formed as bubbles approach a liquid surface, and also for five traditional pressure nozzles that produce sprays of droplets of hundreds of microns in diameter. Our study explored the overall range of Ohnesorge number between 0.01-100, and the analysis and atomization diagrams contribute to understanding of liquid atomization and can serve as a theoretical framework for comparing different liquid atomization techniques.

研究の動機と目的

• 実験的または計算コストの高い手法の限界を克服するため、第一原理的な理論モデルを構築し、液体原子化プロセスにおけるドロップレット径および流量を予測すること。
• 新規のガスジェット駆動による薄い液体膜の破壊と従来の圧力ノズルを含む、多様な原子化手法に適用可能な統一的な理論的枠組みを確立すること。
• 入力条件（ガス圧、液体物性など）に基づいてドロップレット径と流量を可能な、不可能な（小さすぎるか大すぎる）、または期待されるものに分類するためのグラフィカルツールとしての原子化図を導入すること。
• オーナショール数およびN数という無次元数を用いることで、ドロップレット特性と関連付けることにより、異なる原子化手法間の定量的比較を可能にすること。
• 純溶媒、溶液、スラリーを含む広範な液体（Oh = 0.01–100）およびドロップレット径（サブミクロンから数百ミクロン）の範囲で、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 定常かつ断熱的流れを仮定し、位置エネルギーおよび運動エネルギーの変化を無視した制御体積解析を用い、質量保存則および熱力学第一法則を適用する。
• ガスジェットからの単位質量当たりの仕事と、液体中でキャピラリおよび粘性力が消費する単位質量当たりの仕事との関係を示すコア方程式（式2）を導出。この関係は、無次元群（オーナショール数（Oh）およびN数（N））を用いて表現される。
• （Oh, N）平面上に原子化図を構築し、ドロップレット径および流量を、可能な、不可能（小さすぎるか大すぎる）または期待されるものに分類する。
• ドロップレット生成レートを記述する無次元特定流量 ξ = ṅ_de / ṁ_le を導入。これはエネルギー収支および時間スケール比から導出される。
• エネルギー率スケール（ガス圧、表面張力、粘度）と特定仕事率との関係を表す割合係数（k5, k6）を用いる。水および水溶液では k6 ≈ π/6 であることが判明した。
• 5種の液体（水、ガソリン、ディーゼル燃料、2 wt% サリチル酸ナトリウム、30 wt% ベンゾエートナトリウム）および2種の原子化手法（新規のガスジェット膜破壊方式および圧力ノズル）について、理論的予測と実験データを比較することで、モデルを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体原子化プロセスにおける可能な、不可能な、期待されるドロップレット径および流量を予測できる理論的枠組みは何か？
• RQ2 原子化のエネルギー収支と質量収支を、異なる液体および原子化手法間の比較を可能にする無次元形でどのように表現できるか？
• RQ3 オーナショール数およびN数がドロップレット径および流量を決定する上で持つ物理的意味と予測能力は何か？
• RQ4 入力パラメータ（ガス圧、液体物性など）に基づいて、ドロップレット特性を効果的に分類できる原子化図は、実用的か？
• RQ5 理論的モデルは、多様な液体および原子化メカニズムの範囲で、実験的ドロップレット径および流量をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• 理論的モデルは、ガスジェットによる薄い液体膜の破壊によってサブミクロンドロップレットを生成する5種の液体（水、ガソリン、ディーゼル燃料、2 wt% サリチル酸ナトリウム、30 wt% ベンゾエートナトリウム）について、実験データと優れた一致を示した。
• 水および水溶液において、流量モデルの比例係数 k6 が π/6 に一致することが判明し、期待される特定ドロップレット流量を正確に予測できるようになった。
• 原子化図は、ドロップレット径および流量の分類に成功した：領域I（原子化領域）には期待される値および可能な値が含まれ、領域IIおよびIIIは不可能な極端な値を定義する。
• オーナショール数（0.01–100）の広い範囲にわたり、ドロップレット径および流量を高い精度で予測できた。これは、低粘度および高粘度液体の両方をカバーしている。
• 従来の圧力ノズルの流量についても、モデルは正確に予測でき、新規の原子化手法に限らず、広範な応用可能性を示した。
• 異なるk6値に対する等高線は、モデルが比例係数に敏感であることを確認し、異なる原子化システム間の比較にモデルを用いる有効性を裏付けた。