[논문 리뷰] An analytical and experimental study of secondary atomization for vibrational and bag breakup modes

Varun Kulkarni|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 17.

Laser-induced spectroscopy and plasma인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 액체 방울의 진동 및 봉우리 붕괴 모드에서의 2차 분무에 대한 분석적이고 실험적인 조사를 제시한다. 봉우리 붕괴의 이론적 We 경계를 유도하고, We 수와 함께 봉우리 및 방울 변형의 지수적 증가를 검증하며, PDA 측정을 통해 이전 추정치보다 낮은 Sauter 평균 직경(D32)을 보고하여 점성 유체에서 더 큰 방울로의 이동을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 액체 방울에서 봉우리 붕괴의 시작에 대한 이론적 및 실험적 기초를 명확히 하기.
• 봉우리 및 방울 변형이 We 및 Oh 수에 따라 어떻게 변화하는지 정량화하기.
• Rayleigh-Taylor 및 Plateau-Rayleigh 불안정성 포함 2차 분무 메커니즘 조사하기.
• 그림자 영상 기반 방법보다 향상된 상황에서 Phase Doppler Anemometry(PDA)를 사용해 방울 크기 분포 측정하기.
• Sauter 평균 직경(D32) 추정 및 이전 이론적 예측과 비교하기.

제안 방법

• 유체역학 원리를 사용해 봉우리 붕괴의 We 수 경계를 이론적으로 유도: We = 12(1 + (2/3)Oh²).
• 수평 공기 제트로 인한 단일 방울 변형을 통해 봉우리 붕괴 유도하는 실험 설정.
• 붕괴 후 방울 크기 분포 측정을 위해 Phase Doppler Anemometry(PDA) 사용.
• 시간에 따른 방출된 방울의 반경 방향 변형 및 봉우리의 스트림라인 치수 성장 분석.
• 봉우리 붕괴 및 가장자리 붕괴를 설명하기 위해 Rayleigh-Taylor 및 Plateau-Rayleigh 불안정성 모델 적용.
• We 및 Oh 수 범위에서 이론적 예측과 실험 데이터 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 봉우리 붕괴의 시작에 대한 이론적 We 수 임계값은 무엇이며, 실험 관찰과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ2 변형된 방울의 반경 방향 범위와 봉우리의 스트림라인 치수는 시간에 따라 어떻게 변화하며, We 및 Oh에 어떤 의존성을 가지는가?
• RQ3 점성(Oh)은 봉우리 붕괴 이후 2차 분무에서 방울 크기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결과 방울의 Sauter 평균 직경(D32)은 얼마이며, 이전 이론적 추정치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 PDA 기반의 방울 크기 분포 측정은 붕괴 후 방울 특성을 캡처하는 데 있어 전통적인 그림자 영상 방법과 어떻게 다른가?

주요 결과

• 봉우리 붕괴의 이론적 We 경계인 We = 12(1 + (2/3)Oh²는 기존 실험 데이터와 강한 일치를 보인다.
• 변형된 방울의 반경 방향 범위와 봉우리의 스트림라인 치수는 지수적 증가를 보이며, 주로 We 수에 의존한다.
• 연구 범위 내에서 Oh 수에 대한 의존성은 약하며, 점성이 변형 역학에 미치는 영향이 미미함을 시사한다.
• PDA 측정 결과, 점성 있는 방울은 점성 없는 것보다 방울 크기 분포의 피크가 더 큰 직경 쪽으로 이동하는 경향을 보였다.
• 추정된 Sauter 평균 직경(D32)은 이전 이론적 예측보다 낮아, 이전에 상정된 것보다 더 미세한 분무가 일어남을 시사한다.
• 봉우리의 붕괴는 Rayleigh-Taylor 불안정성에 의해 유도되며, 그 다음에 Plateau-Rayleigh 불안정성에 의해 액체 가장자리가 붕괴되며, 관측된 방울 형성과 일치한다.