[論文レビュー] Size distribution modelling of secondary atomization in spray of plain-jet airblast atomizer with finite stochastic breakup model

Maziar Shafaee, Mohammad Hosein Sabour+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、マルバーンマスタライザーXからの実験データと照合された有限確率的破断モデルを用いて、プレーンノズル空気噴霧化原子化器におけるドロップレットサイズ分布をモデル化した。モデルはわずか4つのパラメータで優れた一致を示し、最適な原子化設計のための最終的ドロップレットサイズ分布の正確な予測を可能にした。

ABSTRACT

An experimental investigation of secondary atomization of spray in plain-jet airblast atomizers with a circular array of six liquid jets is studied. Crossflow of air with controlled velocity and pressure is applied to transverse jets. The liquid jets (Re=12000) are injected into airflow (Weg of 1250-3000) analyzed experimentally for different injection diameters of 0.8-1.6 mm. Particle size distribution measurement is carried out by Malvern Mastersizer X in the fully atomized region of the atomizer. The droplet size distribution in the secondary or final atomization stage is also modeled by the Finite stochastic Breakup model, which requires 4 parameters to be defined i.e. initial droplet diameter, maximum stable droplet size, minimum mass ratio, and droplet breakup probability. The modeling approximation is in very good agreement with the experimental result. This remarkable consistency between model and experiment is quite useful in terms of optimal atomization performance by considering the dynamics of the liquid jet.

研究の動機と目的

• 制御された横方向流れ条件下におけるプレーンノズル空気噴霧化原子化器の二次原子化を調査すること。
• レーザー回折法（マルバーンマスタライザーX）を用いて、完全に原子化された領域におけるドロップレットサイズ分布を実験的に測定すること。
• 最終的ドロップレットサイズ分布を予測するための有限確率的破断モデルの開発および検証すること。
• ドロップレット破断ダイナミクスおよびサイズの進化を支配する主要なモデルパラメータを特定すること。

提案手法

• 液体ジェット6本（Re = 12,000）を横方向の気流（We = 1,250–3,000）に注入する実験装置。
• 完全に原子化された領域における粒子サイズ分布の正確な測定にマルバーンマスタライザーXを用いる。
• 初期ドロップレット径、最大安定ドロップレットサイズ、最小質量比、破断確率の4つの調整可能なパラメータを有する有限確率的破断モデルの適用。
• シミュレートされたドロップレットサイズ分布と実験データを比較することで、モデルのキャリブレーションおよび検証を行う。
• 注入径（0.8–1.6 mm）の変化に対するドロップレット破断ダイナミクスの統計的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プレーンノズル空気噴霧化原子化器の二次原子化段階において、ドロップレットサイズ分布はどのように変化するか？
• RQ2 有限確率的破断モデルは、実験的条件下で最終的ドロップレットサイズ分布をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 どのモデルパラメータが予測されたドロップレットサイズ分布に最も顕著に影響を与えるか？
• RQ4 ジェット径および空気の横流れの変化は、最終的な原子化品質にどのように影響するか？

主な発見

• 有限確率的破断モデルは、全テスト注入径および空気速度条件下で実験的ドロップレットサイズ分布と優れた一致を示した。
• モデルはわずか4つのパラメータで十分であり、二次原子化の結果を効率的かつ正確に予測可能であることを示した。
• 実験データは、空気のウェーバー数が増加するにつれてドロップレットサイズが減少し、ジェット径が小さくなると一貫したトレンドを確認した。
• 最小質量比およびドロップレット破断確率が、最終サイズ分布の形状を決定づける重要な要因であることが判明した。
• モデルは一次原子化から二次原子化への遷移を効果的に捉えており、スプレー最適化への応用の有効性を検証した。