[논문 리뷰] Modeling and Detailed Numerical Simulation of the Primary Breakup of a Gasoline Surrogate Jet under Non-Evaporative Operating Conditions

Bo Zhang, Stéphane Popinet외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 60인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 가솔린 시뮬란트 분사의 비증발 조건 하에서 Spray G 조건에서 체적체적 방법을 사용한 고해상도 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 제시한다. 주요 기여는 실험적 분사 침투 및 굽힘과 가장 잘 일치하는 비영제 분사 각도(η = 0.2)를 규명한 것으로, 이는 강한 각도 방향 변동에도 불구하고 자기유사성 있는 물방울 크기 및 원형 각도 분포를 유도하는 비대칭 분해 역학을 드러낸다.

ABSTRACT

In the present study, detailed numerical simulations are performed to investigate the primary breakup of a gasoline surrogate jet under non-evaporative "Spray G" operating conditions. The Spray G injector and operating conditions, developed by the Engine Combustion Network (ECN), represent the early phase of spray-guided gasoline injection. To focus the computational resources on resolving the primary breakup, simplifications have been made on the injector geometry. The effect of the internal flow on the primary breakup is modeled by specifying a nonzero injection angle at the inlet. The nonzero injection angle results in an increase of the jet penetration speed and also a deflection of the liquid jet. A parametric study on the injection angle is performed, and the numerical results are compared to the experimental data to identify the injection angle that best represents the Spray G conditions. The nonzero injection angle introduces an azimuthally non-uniform velocity in the liquid jet, which in turn influences the instability development on the jet surfaces and also the deformation and breakup of the jet head. The asymmetric primary breakup dynamics eventually lead to an azimuthal variation of droplet size distributions. The number of droplets varies significantly with the azimuthal angle, but interestingly, the probability density functions (PDF) of droplet size for different azimuthal angles collapse to a self-similar profile. Analysis has also been conducted to estimate the percentage and statistics of the tiny droplets that are under resolved in the present simulation. The PDF of the azimuthal angle is also presented, which is also shown to exhibit a self-similar form that varies little over time. Finally, a model is developed to predict the droplet number as a function of droplet diameter, azimuthal angle where a droplet is located, and time.

연구 동기 및 목표

• 비증발 조건 하에서 Spray G 조건에서 가솔린 시뮬란트 분사의 1차 분해 역학을 고해상도 수치 시뮬레이션을 통해 조사하기 위해.
• 실험 데이터와의 비교를 통해 시뮬레이션 결과와 실험적 분사 침투 및 굽힘을 가장 잘 재현하는 분사 각도를 규명하기 위해.
• 분사 각도에 의해 유도되는 각도 방향 비균일성 유속이 계면파 발달, 분사 끝부분 변형 및 비대칭 분해에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 물방울 크기 및 원형 각도 분포의 자기유사성 정도를 정량화하고, 해상도가 부족한 1미크론 이하의 물방울 비율을 추정하기 위해.
• 물방울 직경, 원형 각도 및 시간을 기반으로 한 자기유사 통계적 프로파일을 바탕으로 물방울 수에 대한 예측 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 모멘텀 보존 체적체적 방법(VOF)을 사용하여 계면 두상유동을 해상도를 높게 확보한 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 Basilisk 솔버를 활용해 수행하였다.
• 노즐 기하구조를 단순화하고, 입구에서 비영제 분사 각도(α)를 도입하여 내부 유동 효과를 모델링하였으며, η = tan(α)를 핵심 매개변수로 사용하였다.
• 분사 각도(η)에 대한 정량적 연구를 수행하고, 시뮬레이션된 분사 침투 및 굽힘을 실험적 Spray G 데이터와 비교하여 모델을 校정하였다.
• 다양한 메쉬 해상도(L11 및 L12)를 사용하여 수치 수렴성을 평가하고, 최소 해상도 이하의 물방울 비율을 추정하였다.
• 물방울 직경 및 원형 각도의 확률밀도함수(PDF)에 대해 로그노멀 및 감마 분포를 적합하여 자기유사성 행동을 규명하였다.
• 관측된 자기유사 PDF를 기반으로 물방울 직경, 원형 각도 및 시간에 대한 물방울 수에 대한 예측 모델을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Spray G 조건 하에서 비증발 조건에서 가솔린 시뮬란트 분사의 1차 분해에서 실험적 분사 침투 및 굽힘을 가장 잘 재현하는 분사 각도(η)는 무엇인가?
• RQ2 비영제 분사 각도는 계면파 발달, 분사 머리 변형 및 물방울 형성에 있어 어떤 방식으로 각도 방향 비대칭성을 유도하는가?
• RQ3 물방울 직경 및 원형 각도의 확률밀도함수(PDF)는 시간에 따라 자기유사성을 보이며, 만약 그렇다면 이를 설명하는 기능적 형태는 무엇인가?
• RQ4 메쉬 해상도 한계로 인해 해상도가 부족한 1미크론 이하의 물방울이 총 물방울 질량의 몇 퍼센트를 차지하는가?
• RQ5 후기 시점에서 관측된 자기유사 PDF를 기반으로 물방울 수에 대한 예측 모델을 구축할 수 있는가?

주요 결과

• 분사 침투 길이 및 굽힘 각도에서 실험 데이터와 가장 잘 일치하는 분사 각도로 η = tan(α) = 0.2가 규명되었다.
• 비영제 분사 각도로 인해 각도 방향 비균일 유속이 발생하였으며, 이는 상부 분사 표면에서 파장이 짧은 계면파를 유도하고 상부 분사 머리의 더 이른, 더 격렬한 분해를 초래하였다.
• 강한 각도 방향 변동에도 불구하고, 모든 각도 방향에서 물방울 직경의 PDF는 자기유사 프로파일로 압축되었으며, 로그노멀 및 감마 분포 양쪽 모두에 잘 맞았다.
• 원형 각도의 PDF는 hyperbolic tangent 함수로 잘 표현되었으며, t ≳ 27 µs 이후에는 시간에 따른 변동이 최소화되었다.
• 약 3.1%의 총 물방울 질량이 L12 메쉬 해상도로 인해 해상도가 부족한 1미크론 이하의 물방울로 추정되었다.
• 물방울 직경, 원형 각도 및 시간을 기반으로 한 물방울 수에 대한 예측 모델은 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보였으며, 관측된 자기유사 PDF를 효과적으로 활용하였다.