Τυρβώδης ροή σταγονιδίων σε στρωματοποιημένο θερμοκρασιακό πεδίο

Abstract

The interaction of a water mist jet with the thermally stratified turbulent field developing over a horizontal heated flat plate, in an open top cavity, is investigated experimentally. The physical phenomena dominating this interaction, besides their importance for theoretical thermo-fluids, influence a wide spectrum of applications including fuel injection in internal combustion engines and burners, electronics cooling, meteorology, fire extinguishing, deposition and coating processes etc.Water mist, generated in a nebulizer, is sprayed through a cylindrical orifice of internal diameter 4mm, vertically, towards the horizontal surface and at considerable distance from it (50cm). In order to establish a reference case data base, a significant part of the work refers to data collection and study on the thermal convection field characteristics, in the absence of the spray mist, as well as on the isothermal mist jet development. The interaction field has been investigated for mist jets of two Reynolds numbers and at two flat plate heating rates. The mist jet Reynolds numbers were rather low in order to enhance the influence of the plate and the flow structures generated due to buoyancy.Mean and turbulent characteristics of the spray (velocity and size) and the temperature distribution were monitored. A small thermocouple, significantly smaller than the Kolmogorov length scale, was used for temperature measurements. Droplet velocities and sizes were measured with Phase Doppler Anemometry, which also provided concentration and flux measurements.Moving plumes, often in the form of mushrooms, were identified as the dominant structures in the convection field. The form of temperature probability density functions was related to the past history of formation and heat exchange of air masses crossing the measuring point. An eigenfrequency, identified in the temperature power spectra indicates the presence of a large scale structure.The presence of the target plate decelerates the mist jets reducing also turbulent fluctuations close to the surface. Heating influences the mean and fluctuating velocities at considerable distance from the plate, reducing the rate of jet mass flux growth due to entrainment, more evidently for the low Re jet. Droplet sizes decrease downstream, presenting different trends in relation to Re. Increased values of the Sauter mean diameter (D32) are observed very close to the plate surface, particularly for the high Re number, isothermal jet.

Διερευνάται η αλληλεπίδραση δέσμης εκροής νέφους σταγονιδίων νερού με το θερμικά στρωματοποιημένο, τυρβώδες ρευστο-θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επίπεδη επιφάνεια, μέσα σε ορθογωνική κοιλότητα με ανοικτή οροφή. Τα φαινόμενα και οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν την ως άνω αλληλεπίδραση πέρα από τη σημασία τους σε σχέση με τη βασική έρευνα στο πεδίο των ρευστοθερμικών φαινομένων, παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε πληθώρα πρακτικών προβλημάτων όπως κατά τον ψεκασμό καυσίμου σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και καυστήρες, στη διφασική ψύξη ηλεκτρονικών, στην μετεωρολογία, στην πυρόσβεση, σε διεργασίες απόθεσης και επικάλυψης κ.α. Το νέφος σταγονιδίων δημιουργείται σε έναν νεφελοποιητή και εκτοξεύεται μέσα από ένα ακροφύσιο κυλινδρικού σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 4mm, κάθετα προς την οριζόντια επίπεδη επιφάνεια και σε σημαντική απόσταση από αυτήν (50cm), δημιουργώντας αρχικά μια διφασική δέσμη εκροής σταγονιδίων.Για την δημιουργία βάσης δεδομένων αναφοράς, σημαντικό μέρος της εργασίας αναφέρεται στην καταγραφή και μελέτη του θερμικού πεδίου ελεύθερης συναγωγής που δημιουργείται πάνω από τη θερμαινόμενη πλάκα απουσία σταγονιδίων. Αντίστοιχα μελετήθηκε η ανάπτυξη ισοθερμοκρασιακής δέσμης εκροής. Η παραμετρική μελέτη της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής σταγονιδίων και θερμικά στρωματοποιημένου πεδίου πραγματοποιήθηκε για δέσμες με δύο αριθμούς Reynolds και για δύο ρυθμούς ροής θερμότητας από την πλάκα. Οι αριθμοί Reynolds που επιβάλλονται στη ροή δέσμης σταγονιδίων είναι χαμηλοί ώστε να ισχυροποιηθεί σχετικά η επίδραση του τοιχώματος και κυρίως οι ροϊκές δομές που δημιουργούνται λόγω των ανωστικών δυνάμεων. Οι παράμετροι που εξετάζονται περιλαμβάνουν μέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά τόσο των σταγόνων (μέγεθος και ταχύτητα), όσο και της θερμοκρασιακής κατανομής πάνω από την θερμαινόμενη πλάκα. Το θερμικό πεδίο καταγράφτηκε με τη βοήθεια θερμοζεύγους διαστάσεων σημαντικά μικρότερων από την κλίμακα μήκους Kolmogorov. Οι ταχύτητες και το μέγεθος των σταγονιδίων καταγράφηκαν με την τεχνική Ανεμομετρίας Φάσης Doppler, παρέχοντας επί πλέον πληροφορίες για τη συγκέντρωση και την παροχή σταγονιδίων.Αναγνωρίστηκε ως κυρίαρχη δομή του πεδίου συναγωγής το κινούμενο πλούμιο, συχνά μορφής μανιταριού. Η μορφή των κατανομών πυκνότητας πιθανότητας της θερμοκρασίας ερμηνεύθηκε σε σχέση με το ιστορικό δημιουργίας και ανταλλαγών θερμότητας των αερίων μαζών που διέρχονται από τη θέση μέτρησης. Στα φάσματα ισχύος του σήματος της θερμοκρασίας αναγνωρίσθηκε ιδιοσυχνότητα που υποδεικνύει την παρουσία δομής μεγάλης κλίμακας. Η επιφάνεια – στόχος επιβραδύνει τις δέσμες σταγονιδίων ελαττώνοντας και τις τυρβώδεις διακυμάνσεις στην περιοχή του τοιχώματος. Η θέρμανση επηρεάζει τις μέσες και κυμαινόμενες ταχύτητες σε σημαντική απόσταση από την οριζόντια πλάκα, μειώνοντας τους ρυθμούς αύξησης της παροχής αέρα λόγω συμπαράσυρσης, ιδίως σε χαμηλό Re. Το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται κατάντη της ροής με διαφορετικές τάσεις ως προς τον Re. Αυξημένες τιμές της μέσης διαμέτρου Sauter (D32) παρατηρούνται κοντά στην επιφάνεια, ειδικά για την περίπτωση ισόθερμου ψεκασμού του υψηλότερου Re.