Modelo de escoamento núcleo-anular frio para o atomizador efervescente
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Data
2022-08-19
Autores
Gutierrez, Jordan Amaro
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
A atomização é um processo fundamental para muitas aplicações na engenharia, por exemplo, a combustão de combustíveis líquidos. A atomização efervescente é um processo de atomização bifásica que consiste em utilizar baixas pressões de injeção dos fluidos para introduzir bolhas de gás no escoamento liquido, e assim produzir um spray de alta qualidade. Este trabalho consiste em desenvolver um modelo de escoamento bifásico para estimar um conjunto de variáveis físicas dos fluidos no orifício de saída de um atomizador efervescente. O modelo de escoamento núcleo-anular frio é validado utilizando-se resultados experimentais da espessura media dos ligamentos da atomização, obtendo-se excelentes estimativas para a razão das vazões mássicas do gás e do liquido maior ou igual a 1,0%. Os fluidos utilizados para as validações são a agua e o ar. O modelo de escoamento núcleo-anular frio é utilizado para simular cinco condições operacionais em dezessete atomizadores efervescentes. Os fluidos utilizados para as simulações são o óleo leve de aquecimento e o ar. Segundo os resultados obtidos, as variáveis geométricas que definem o projeto do atomizador efervescente não influenciam significativamente as variáveis físicas estimadas. As variáveis físicas estimadas são: (a) fração volumétrica do gás, (b) pressão bifásica adimensional, (c) temperatura adimensional do gás, (d) massa especifica bifásica adimensional, (e) velocidade do liquido, (f) velocidade do gás, e (g) espessura do liquido, sendo suas faixas [0,815, 0,967], [0,587, 0,856], [0,928, 0,962], [0,642, 0,900], [7,991, 22,391 m/s], [147,166, 200,555 m/s], e [176, 637 um], respectivamente. Finalmente, é estabelecido um modelo adimensional para a estimativa do diâmetro médio integral de Sauter (ID32) das gotas do spray. O modelo adimensional é caracterizado por ter R2 = 0,705 e RMSE = 3,274, razão pela qual é considerado que é bom para realizar futuras predições.
Atomization is a fundamental process for many engineering applications, for example, the combustion of liquid fuels. Effervescent atomization is a two-phase atomization process that uses low fluid injection pressures to introduce bubbles into the liquid flow, and thus produce a high-quality spray. This work consists in the development of a two-phase flow model to estimate a set of physical variables of the fluids in the exit orifice of the effervescent atomizer. The frozen core-annular flow model is validated through experimental results of the mean thickness of the atomization ligaments, obtaining excellent estimates for the gas-liquid-to-mass ratio greater or equal than 1.0%. The fluids used for validations are water and air. The frozen core-annular flow model is used to simulate five operating conditions in seventeen effervescent atomizers. The fluids used for simulations are light heating oil and air. According to the results obtained, the geometric variables that define the effervescent atomizer design do not significantly influence the estimated physical variables. The estimated physical variables are: (a) gas volume fraction, (b) dimensionless two-phase pressure, (c) dimensionless gas temperature, (d) dimensionless two-phase density, (e) liquid velocity, (f) gas velocity, and (g) liquid thickness, with their intervals being [0.815, 0.967], [0.587, 0.856], [0.928, 0.962], [0.642, 0.900], [7.991, 22.391 m/s], [147.166, 200.555 m/s], and [176, 637 um], respectively. Finally, a dimensionless model is established to estimate the mean Sauter integral diameter (ID32) of the spray droplets. The dimensionless model is characterized by having R2 = 0.705 and RMSE = 3.274, so it is considered good for making future predictions.
Atomization is a fundamental process for many engineering applications, for example, the combustion of liquid fuels. Effervescent atomization is a two-phase atomization process that uses low fluid injection pressures to introduce bubbles into the liquid flow, and thus produce a high-quality spray. This work consists in the development of a two-phase flow model to estimate a set of physical variables of the fluids in the exit orifice of the effervescent atomizer. The frozen core-annular flow model is validated through experimental results of the mean thickness of the atomization ligaments, obtaining excellent estimates for the gas-liquid-to-mass ratio greater or equal than 1.0%. The fluids used for validations are water and air. The frozen core-annular flow model is used to simulate five operating conditions in seventeen effervescent atomizers. The fluids used for simulations are light heating oil and air. According to the results obtained, the geometric variables that define the effervescent atomizer design do not significantly influence the estimated physical variables. The estimated physical variables are: (a) gas volume fraction, (b) dimensionless two-phase pressure, (c) dimensionless gas temperature, (d) dimensionless two-phase density, (e) liquid velocity, (f) gas velocity, and (g) liquid thickness, with their intervals being [0.815, 0.967], [0.587, 0.856], [0.928, 0.962], [0.642, 0.900], [7.991, 22.391 m/s], [147.166, 200.555 m/s], and [176, 637 um], respectively. Finally, a dimensionless model is established to estimate the mean Sauter integral diameter (ID32) of the spray droplets. The dimensionless model is characterized by having R2 = 0.705 and RMSE = 3.274, so it is considered good for making future predictions.
Descrição
Palavras-chave
Mecânica dos fluidos, Método de volume de controle, Atomização efervescente, Spray, Modelo, Fluid mechanics, Control volume method, Effervescent atomization, Model, Escoamento bifásico