مطالعه عددی تاثیر پارامترهای هندسی اسپری در جریان سوخت و هسته هوا در اتمایزر چرخشی فشاری انتهای باز

نوع مقاله : گرایش پیشرانش و انتقال حرارت

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 نویسنده مسئول: استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

4 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیر طوسی، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش به بررسی عددی جریان داخلی اتمایزر فشار-چرخشی انتها باز پرداخته خواهد شد که کاربرد زیادی در موتور توربین گازی و پیشرانه‌های فضایی دارد. برای شبیه‌سازی جریان داخلی اتمایزر از مدل چند فازی حجم سیال بهره گرفته‌شده است. همچنین به دلیل ماهیت جریان چرخشی داخل اتمایزر از مدل توربولانسی RNG k-ε استفاده گردید. به‌منظور دستیابی به نتایج بهتر از مش سازمان‌یافته استفاده شد. در این پژوهش پارامتر‌های اسپری، نظیر ضخامت فیلم مایع،‌ زاویه چتر پاشش، ضریب تخلیه و کانتورهای توزیع سرعت و فشار موردمطالعه قرار خواهد گرفت. شبیه‌سازی اتمایزر انتهای باز با نسبت L⁄D=5 و همچنین استفاده از مش سازمان‌یافته و لحاظ کردن سوخت کروسین برای ایجاد شرایط نزدیک به کارکرد توربین گازی، ازجمله مواردی بود که پژوهش حاضر را با دیگر پژوهش‌ها متمایز می‌سازد. همچنین نتایج نشان داد که در فشار 5/0 مگا پاسکال زمان لازم برای رسیدن سوخت در اتمایزر مورداستفاده کمتر از 5/1 میلی‌ثانیه بوده و نیز با روش حجم سیال علاوه بر مدل جریان‌های داخل اتمایزر و دست‌یابی هیدرودینامیک جریان، می‌توان وجود موج‌ها و شکست چتر پاشش و تبدیل به قطرات بزرگ‌تر را مشاهده نمود. زاویه اسپری و ضریب تخلیه برای اتمایزر موردبررسی به ترتیب برابر 8/74 و 17/0 ثبت گردید.  

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Study of the Effect of Spray Geometric Parameters on Fuel Flow and Air Core in Open-end Pressure-swirl Atomizer

نویسندگان [English]

  • Mohammad Moradi 1
  • Saeed Karimian Aliabadi 2
  • Fathollah Ommi 3
  • Mahdi Sarhaddi 4
1 M.Sc. Student, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran. Iran
2 Corresponding author: Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran. Iran
3 Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
4 M.Sc., Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this research, the internal flow of open-end pressure-swirl atomizer, which has many applications in gas turbine engines and space propulsion, is investigated numerically. A multi-phase fluid volume model is used to simulate the internal flow of the atomizer. Also, due to the nature of the rotational flow inside the atomizer, the RNG k-ε turbulence model was used. Structured mesh has been used to achieve better results. In this research, spray parameters such as liquid film thickness, spray cone angle, discharge coefficient and velocity and pressure distribution contours have been studied. Simulation of an open-end atomizer with an L⁄D = 5 ratio, as well as the use of a structured mesh and the inclusion of kerosene fuel to create conditions close to the operation of a gas turbine, are among the things that differentiate the present study from other studies. The results also show that at a pressure of 0.5 MPa, the time required to reach the fuel in the atomizer used is less than 1.5 milliseconds and the failure of the to spray cone and turn into larger droplets can be observed. The spray angle and discharge coefficient for the studied atomizer were 74.8 and 0.17, respectively. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • RNG
  • Turbulence model
  • Open-end pressure-swirl atomizer
  • Gas turbine
  • Numerical study

Smiley face

مراجع

[1] Kelesidis GA, Goudeli E, Pratsinis SE. Flame synthesis of functional nanostructured materials and devices: Surface growth and aggregation. Proceedings of the Combustion Institute. 2017;36(1):29-50.##
[2] Lefebvre AH, Ballal DR. Gas turbine combustion: alternative fuels and emissions: CRC press; 2010.##
[3] Kumar A, Sahu S. Liquid jet breakup unsteadiness in a coaxial air-blast atomizer. International journal of spray and combustion dynamics. 2018;10(3):211-30.##
[4] Lefebvre AH, McDonell VG. Atomization and sprays: CRC press; 2017.##
[5] Fansler TD, Parrish SE. Spray measurement technology: a review. Measurement Science and Technology. 2014;26(1):012002.##
[6] Czernek K, Hyrycz M, Krupińska A, Matuszak M, Ochowiak M, Witczak S, et al. State-of-the-art review of effervescent-swirl atomizers. Energies. 2021;14(10):2876.##
[7] Liu Z, Huang Y, Sun L. Studies on air core size in a simplex pressure-swirl atomizer. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42(29):18649-57.##
[8] Nouri-Borujerdi A, Kebriaee A. Numerical simulation of laminar and turbulent two-phase flow in pressure-swirl atomizers. AIAA journal. 2012;50(10):2091-101.##
[9] Zhang T, Dong B, Chen X, Qiu Z, Jiang R, Li W. Spray characteristics of pressure-swirl nozzles at different nozzle diameters. Applied thermal engineering. 2017;121:984-91.##
[10] Galbiati C, Ertl M, Tonini S, Cossali GE, Weigand B. DNS investigation of the primary breakup in a conical swirled jet.  High Performance Computing in Science and Engineering´ 15: Springer; 2016. p. 333-47.##
[11] Fuster D, Bagué A, Boeck T, Le Moyne L, Leboissetier A, Popinet S, et al. Simulation of primary atomization with an octree adaptive mesh refinement and VOF method. International Journal of Multiphase Flow. 2009;35(6):550-65.##
[12] Halder M, Dash S, Som S. Influences of nozzle flow and nozzle geometry on the shape and size of an air core in a hollow cone swirl nozzle. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2003;217(2):207-17.##
[13] Halder M, Som S. Numerical and experimental study on cylindrical swirl atomizers. Atomization and Sprays. 2006;16(2).##
[14] Moon S, Abo-Serie E, Bae C. Liquid film thickness inside the high pressure swirl injectors: Real scale measurement and evaluation of analytical equations. Experimental Thermal and Fluid Science. 2010;34(2):113-21.##
[15] Liu J, Li Q-L, Liu W-D, Wang Z-G. Experiment on liquid sheet breakup process of pressure swirl injector. Tuijin Jishu/Journal of Propulsion Technology. 2011;32(4).##
[16] Amini G. Liquid flow in a simplex swirl nozzle. International Journal of Multiphase Flow. 2016;79:225-35.##
[17] Ma PC, Esclape L, Carbajal S, Ihme M, Buschhagen T, Naik SV, et al., editors. High-fidelity simulations of fuel injection and atomization of a hybrid air-blast atomizer. 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting; 2016.##
[18] Rivas JRR, Pimenta AP, Salcedo SG, Rivas GAR, Suazo MCG. Study of internal flow of a bipropellant swirl injector of a rocket engine. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2018;40(6):1-16.##
[19] Ommi F, Azimi M. Most effective combustion technologies for reducing Nox emissions in aero gas turbines. The International Journal of Multiphysics. 2012;6(4):417-24.##
[20] Chen C, Tang Z. Investigation of the spray formation and breakup process in an open-end swirl injector. Science Progress. 2020;103(3):0036850420946168.##
[21] Fu Q-f, Yang L-j, Qu Y-y, Gu B. Linear stability analysis of a conical liquid sheet. Journal of Propulsion and Power. 2010;26(5):955-68.##
مکانیک هوافضا
دوره 18، شماره 3 - شماره پیاپی 69
شماره پیاپی 69، فصلنامه پاییز
مهر 1401
صفحه 127-140

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 03 اسفند 1400
  • تاریخ بازنگری: 23 فروردین 1401
  • تاریخ پذیرش: 07 تیر 1401
  • تاریخ انتشار: 01 مهر 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار