[논문 리뷰] Size distribution modelling of secondary atomization in spray of plain-jet airblast atomizer with finite stochastic breakup model

Maziar Shafaee, Mohammad Hosein Sabour외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 평판노즐 공기분무기에서 2차 분무화의 물방울 크기 분포를 유한한 확률적 분해 모델로 모델링하며, Malvern Mastersizer X에서 확보한 실험 데이터와의 비교를 통해 검증한다. 모델은 오직 네 개의 매개변수만을 사용하여 실험 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 최적의 분무 설계를 위한 최종 물방울 크기 분포를 정확하게 예측할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어된 횡류 조건에서 평판노즐 공기분무기에서의 2차 분무화를 조사하기 위해.
• 레이저 회절 기반 측정(Мalvern Mastersizer X)을 통해 완전 분무 영역에서 물방울 크기 분포를 실험적으로 측정하기 위해.
• 최종 물방울 크기 분포를 예측하기 위한 유한한 확률적 분해 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 물방울 분해 동역학과 크기 변화를 지배하는 핵심 모델 매개변수를 규명하기 위해.

제안 방법

• 6개의 원형 액체 분사노즐(Re = 12,000)을 횡방향 공기류(We = 1,250–3,000)에 주입하는 실험 설정.
• 완전 분무 영역에서 정밀한 입자 크기 분포 측정을 위해 Malvern Mastersizer X의 사용.
• 초기 물방울 직경, 최대 안정된 물방울 크기, 최소 질량 비율, 분해 확률의 네 가지 조정 가능한 매개변수를 포함한 유한한 확률적 분해 모델 적용.
• 모의된 물방울 크기 분포를 실험 데이터와 비교하여 모델 校정 및 검증.
• 분사 직경(0.8–1.6 mm) 변화에 따른 물방울 분해 동역학의 통계적 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평판노즐 공기분무기에서 2차 분무화 단계에서 물방울 크기 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 유한한 확률적 분해 모델은 실험 조건에서 최종 물방울 크기 분포를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 어느 모델 매개변수가 예측된 물방울 크기 분포에 가장 크게 영향을 미치는가?
• RQ4 노즐 직경과 공기 횡류의 변화는 최종 분무 품질에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유한한 확률적 분해 모델은 모든 테스트된 분사 직경과 공기 속도에서 실험적 물방울 크기 분포와 뛰어난 일치를 보였다.
• 모델은 오직 네 개의 매개변수만을 필요로 하여 2차 분무 결과를 효율적이고 정확하게 예측할 수 있었다.
• 실험 데이터는 공기 웨버 수 증가와 노즐 직경 감소에 따라 물방울 크기 감소의 일관된 경향을 확인시켰다.
• 최소 질량 비율과 물방울 분해 확률은 최종 크기 분포의 형태를 결정하는 데 핵심적인 역할을 했다.
• 모델는 주로 분무에서 2차 분무로의 전이 과정을 성공적으로 캡처하였으며, 이는 스프레이 최적화에 응용될 수 있음을 검증하였다.