[논문 리뷰] Liquid Atomization out of a Full Cone Pressure Swirl Nozzle

Nicolas Rimbert, G. Castanet|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 14.

Fluid Dynamics and Heat Transfer인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 수치적, 이론적, 실험적 방법을 융합하여 전체 콘형 압력 스위블 nozzles 내 액체 분무 현상을 연구하며, 노즐 내부에 이중 유동 구조가 존재하고, 타일러 길이 척도 근처의 작은 물방울은 선형 불안정성 대신 난류 연속성에 의해 발생한다는 것을 밝혀냈다. 물방울 크기 분포의 안정성 지수 1.35는 나선형 난류 영향을 받는 로그-안정 법칙을 지지하며, 이는 이론적 기대와 다름을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전체 콘형 압력 스위블 nozzles 내부의 유동 역학 및 분무 메커니즘을 이해하기 위해.
• 특히 작은 물방울의 기원을 포함한 물방울 형성에 기여하는 주요 물리적 과정을 규명하기 위해.
• 단계 도플러 입자 분석기(PDA)로부터의 실험 데이터를 기반으로 물방울 크기 분포 이론 모델을 검증하기 위해.
• 관측된 물방울 크기 분포를 설명하는 데 있어 선형 불안정성 이론와 난류 연속성 중 어느 것이 더 적합한지 판단하기 위해.
• 근노즐 영역의 물방울 크기 데이터에 대해 로그-안정 분포 모델의 적용 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 내부 유동 구조 분석 및 주요 유동 영역 규명을 위해 CFD 시뮬레이션과 CAD 모델링을 융합한 방법.
• 스프레이 내 가장 큰 물방울의 크기를 예측하기 위해 선형 불안정성 이론를 적용한 방법.
• 노즐에서 다양한 거리에서 물방울 크기 및 속도 분포를 측정하기 위해 단계 도플러 입자 분석기(PDPA)를 사용한 방법.
• 카오모고로프 및 타일러 길이 척도 근처에서 작은 물방울이 형성되는 난류 연속성 과정을 이론적으로 분석한 방법.
• 물방울 크기 확률 밀도 함수(PDF)를 로그-안정 분포에 적합시켜 안정성 지수를 도출한 방법.
• 실험적으로 도출된 안정성 지수(1.35)를 이전 실험값(1.39) 및 이론적 값(1.70)과 비교하여 기초 물리 메커니즘을 추론한 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 콘형 압력 스위블 nozzles 내부의 주요 유동 구조는 무엇이며, 분무에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 선형 불안정성 이론의 예측과는 달리, 타일러 길이 척도 근처의 작은 물방울이 안정 영역에 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ3 물방울 크기 분포가 로그-안정 법칙으로 얼마나 잘 기술될 수 있으며, 안정성 지수는 기초 난류에 대한 정보를 어떻게 드러내는가?
• RQ4 난류 연속성 과정은 근노즐 영역에서 미세한 물방울 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 실험적으로 도출된 안정성 지수(1.35)가 이론적 값(1.70)보다 현저히 낮은 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 노즐 내부에는 두 가지 구분되는 유동 영역이 존재한다: 느리게 움직이는 경계층과 약 100,000 rad/s의 고속으로 회전하는 코어 영역이며, 두께는 노즐 단면의 약 4/5 정도이다.
• 선형 불안정성 이론는 가장 큰 물방울의 크기를 성공적으로 예측하지만, 타일러 길이 척도 근처의 작은 물방울 존재를 설명하지 못한다.
• 단계 도플러 입자 분석기(PDPA)는 중심축을 따라 원심 분리 효과로 작은 물방울이 축적되며, 타일러 길이 척도 근처에서 PDF의 피크가 노즐에서 떨어질수록 증가하는 것으로 나타났다.
• 근노즐 영역의 물방울 크기 분포는 안정성 지수 1.35를 가진 로그-안정 법칙에 잘 맞으며, 이는 이전 실험 결과(1.39)에 가깝지만 이론적 값(1.70)보다 현저히 낮다.
• 안정성 지수의 괴리에서 기인하는 다른 기초 과정이 존재할 가능성이 있으며, 이는 스위블 유동에서의 나선형 난류 성향 때문일 것이다.
• 작은 물방울의 형성은 선형 불안정성보다는 난류 연속성 메커니즘에 기인하며, 이는 분무 과정에서 회전과 난류 간의 복잡한 상호작용을 시사한다.