Computational and Experimental Study of Sprays from the Breakup of Water Sheets

I denne afhandling præsenteres en Eulerian multi-fluid CFD model til simulering af sprays. Modellen kan beskrive opbrydning og sammen-klumpning af dråber samt de dråbestørrelses-afhængige hastigheder. Metoden "Direct Quadrature Method of Moments" (DQMOM) er implementeret for at simulere ændringen af dråbestørrelsesfordelingen pga. opbrydning og sammenklumpning.

I DQMOM-multi-fluid modellen anvendes kildeled for de første 2N momenter af dråbestørrelsesfordelingen som parametre til at bestemme kildeled i transportligningerne for de N dråbevolumenfaktioner og de N dråbediametre. For hver dråbefase løses desuden en impulsbalance. Effekterne af opbrydning og sammenklumpning af dråber er implementeret ved hjælp af undermodeller.

I denne afhandling anvendes modellen til at beregne lokale dråbe-størrelser og hastigheder i diesel-type, Y-jet og tryk-hvirvelkammer sprays. Beregningerne af diesel-type sprayen viser god overensstemmelse med de eksperimentelle data for dråbehastigheder. Overensstemmelsen mellem simulerede og målte dråbestørrelser og hastigheder i Y-jet sprayen er mindre god, men dette anses for at være pga. usikkerhed i grænsebetingelserne ved dysen og ikke en fejl ved modellen. Kollapset af sprayen fra tryk-hvirvelkammer dysen er tydelig, og dråbestørrelser og hastigheder er i god overensstemmelse med målinger.

Resultaterne viser at modellen kan beregne de væsentligste egenskaber ved de simulerede sprays, men der er stadig aspekter ved modellen der kan forbedres.

CFD-beregninger af flowet inde i en opskaleret Danfoss tryk-hvirvel¬kammer dyse præsenteres også. Gas-væske flowet modelleres ved hjælp af tre metoder: 1) en "Volume of Fluid" (VOF) model under antagelse af laminart flow, 2) en VOF model kombineret med "Large Eddy Simulation" (LES), og 3) en to-fluid Euler/Euler model under antagelse af laminart flow. Der fokuseres primært på det indre flow i hvirvelkammeret. CFD-beregningerne giver god overensstemmelse med eksperimentelle data for tangentielle og aksiale hastighedsprofiler i hvirvelkammeret samt trykket ved væggen.

Der er udført eksperimenter, for at bestemme lokale værdier i vandsprays fra produktionsskala tryk-hvirvelkammer og Y-jet dyser. Et 2D "Phase Doppler Anemometry" (PDA) system benyttes til at måle lokale værdier af dråbehastigheder og størrelser. Der er udført eksperimenter i sprays produceret fra ni forskellige et-huls Y-jet dyser med varierende driftstilstande. Eksperimenter omhandlende effekterne af dysegeometri viser at længden af blandekammeret skal være ca. fire gange dets diameter. Øvrige dimensioner har relativ lille effekt, undtagen på de krævede luft- og vanddriftstryk. Undersøgelsen af effekterne af forskellige driftstilstande viser at både stigende væskeflow og stigende gasflow giver faldende middeldråbediametre og stigende aksiale hastigheder i sprayen. Væskeflowet er den vigtigste parameter, der kontrollerer sprayen fra Y-jet dyserne. Sprayen er

Udover PDA målingerne, er der udført "Interferometric Particle Imaging" (IPI) målinger i en spray fra en Danfoss tryk-hvirvelkammer dyse. IPI er en måleteknik til bestemmelse af diameteren af transparente og sfæriske partikler i et helt felt ud fra ikke-fokuserede billeder. Hver partikels hastighed bestemmes samtidigt ved hjælp af "Particle Velocimetry Tracking" (PTV) på fokuserede billeder. Resultaterne sammenlignes med PDA målinger. Tendenserne i dataene fra IPI og PDA er meget ens, men pga. de forskellige samplingsmetoder der anvendes i de to måleteknikker, giver IPI konsistent mindre middeldiametre end PDA. IPI/PTV teknikken har forskellige fordele i forhold til PDA teknikken, da den giver mulighed for at måle dråbestørrelser og hastigheder i et helt felt (i modsætning til PDA der måler i et punkt). Den væsentligste begrænsning ved IPI/PTV teknikken er, at den ikke kan anvendes ved høje dråbekoncentrationer.