Numerical modeling of superheated jet atomisation

Abstract

The aim of this research project is to provide the academic and industrial community with a numerical tool that can be used for describing extreme flow cavitation scenarios and theatomisation process of these multiphase jets in a low-pressure environment. The research lies in the intersection of Numerical Analysis, Applied Physics and programming. Fromthe physical point of view, the project has two different strands: The first is developing a methodology for channel flows due to a rapid pressure drop which is possible to result intovarious flow regimes inside the channel. The second step is to track the liquid fragmentation of the liquid jet downstream the channel exit and describing the atomisation process to liquidligaments and blobs to droplets.Using a fully Eulerian approach, this research aims towards a holistic approach that addresses some of the major challenges that govern superheated jets atomisation. The finitevolumes method in a compressible framework is used utilising various models for modelling the underpinning physics of flashing jets. Flashing occurs either if a liquid follows anisothermal depressurisation or isobaric heating. In both cases, the fluid fails to adjust to the local changes in pressure and temperature admitting a metastable state which makes theprocess more challenging to understand. The Homogeneous-Relaxation-Model (HRM) is used for modelling the heat transfer under sudden depressurisation conditions accountingfor the non-equilibrium vapour generation. A new pressure equation is proposed which employs the continuity equation indirectly. The pressure responds to compressibility anddensity changes due to the rapid phase change and includes the surface tension contribution in the pressure-velocity coupling algorithm. The coupling of the continuity and momentumequation with the HRM and the interface tracking method is thoroughly described. The result of this coupling is a conserved numerical method that is capable of characterising the flowregimes and the impact of bubble nucleation on the mass flow rate.The present study presents a numerical approach for simulating the atomisation of flashing liquids accounting for the distinct stages, from primary atomisation to secondary break-up tosmall droplets Following the Eulerian-Lagrangian-Spray-Atomisation approach, the concept of the surface density Σ is introduced into the methodology for the spray dynamics. Theproposed approach has the advantage of avoiding the unrealistic common assumption of pure liquid at the nozzle exit. It models the change in the regime inside the nozzle treatingflashing in a unified approach simulating the metastable jet both inside and outside the nozzle. Important mechanisms such as thermal non-equilibrium, aerodynamic break-up,droplet collisions and evaporation are modelled in a novel atomisation model. The modified Σ-equation employed a new source term proposed for cryogenic jets. A wide range of numericaltests is presented for validation and obtaining insights for the underlying physics. Short and long nozzle geometries are tested for both low and high-pressure releases for flashingwater, R134A, liquid nitrogen and LNG. Results for turbulent flows for both sub-cooled and superheated liquids are presented showing that the proposed approach can accuratelysimulate the primary atomisation.

Ο στόχος αυτού του ερευνητικού έργου είναι να παράσχει στην ακαδημαϊκή και βιομηχανική κοινότητα ένα αριθμητικό εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή σεναρίων σπηλαίωσης ακραίας ροής και διαδικασία ψεκασμού αυτών των πολυφασικών πίδακες σε περιβάλλον χαμηλής πίεσης. Η έρευνα βρίσκεται στη διασταύρωση της Αριθμητικής Ανάλυσης, της Εφαρμοσμένης Φυσικής και του Προγραμματισμού. Από από φυσική άποψη, το έργο έχει δύο διαφορετικά σκέλη: Το πρώτο είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τις ροές καναλιών λόγω ταχείας πτώσης πίεσης που είναι δυνατόν να οδηγήσει σε διάφορα καθεστώτα ροής μέσα στο κανάλι. Το δεύτερο βήμα είναι η παρακολούθηση του κατακερματισμού του υγρού του πίδακα υγρού κατάντη της εξόδου του καναλιού και η περιγραφή της διαδικασίας ψεκασμού σε υγρό συνδέσμους και σταγονίδια.Χρησιμοποιώντας μια πλήρως Eulerian προσέγγιση, αυτή η έρευνα στοχεύει σε μια ολιστική προσέγγιση που αντιμετωπίζει μερικές από τις κύριες προκλήσεις που διέπουν την εξαέρωση των υπερθερμασμένων πίδακες. Το πεπερασμένο Η μέθοδος όγκων σε ένα συμπιέσιμο πλαίσιο χρησιμοποιείται χρησιμοποιώντας διάφορα μοντέλα για τη μοντελοποίηση της φυσικής βάσης των πίδακες που αναβοσβήνουν. Αναβοσβήνει είτε εάν ακολουθεί ένα υγρό ισοθερμική αποσυμπίεση ή ισοβαρική θέρμανση. Και στις δύο περιπτώσεις, το υγρό αποτυγχάνει να προσαρμοστεί στις τοπικές μεταβολές της πίεσης και της θερμοκρασίας, επιτρέποντας μια μετασταθερή κατάσταση που κάνει το διαδικασία πιο προκλητική στην κατανόηση. Το Homogeneous-Relaxation-Model (HRM) χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση της μεταφοράς θερμότητας υπό συνθήκες ξαφνικής αποσυμπίεσης για την παραγωγή ατμών χωρίς ισορροπία. Προτείνεται μια νέα εξίσωση πίεσης που χρησιμοποιεί την εξίσωση συνέχειας έμμεσα. Η πίεση ανταποκρίνεται στη συμπιεστότητα και Η πυκνότητα αλλάζει λόγω της ταχείας αλλαγής φάσης και περιλαμβάνει τη συμβολή της επιφανειακής τάσης στον αλγόριθμο σύζευξης πίεσης-ταχύτητας. Η σύζευξη της συνέχειας και της ορμής περιγράφεται διεξοδικά η εξίσωση με το HRM και η μέθοδος παρακολούθησης της διεπαφής. Το αποτέλεσμα αυτής της σύζευξης είναι μια συντηρημένη αριθμητική μέθοδος που είναι ικανή να χαρακτηρίσει τη ροή καθεστώτα και την επίδραση της πυρήνωσης φυσαλίδων στον ρυθμό ροής μάζας.Η παρούσα μελέτη παρουσιάζει μια αριθμητική προσέγγιση για την προσομοίωση της ψεκασμού υγρών που αναβοσβήνουν λαμβάνοντας υπόψη τα διακριτά στάδια, από τον πρωτογενή ψεκασμό έως τη δευτερογενή διάσπαση έως μικρά σταγονίδια Ακολουθώντας την προσέγγιση Eulerian-Lagrangian-Spray-Atomisation, η έννοια της επιφανειακής πυκνότητας Σ εισάγεται στη μεθοδολογία για τη δυναμική του ψεκασμού. Η προτεινόμενη προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα ότι αποφεύγει τη μη ρεαλιστική κοινή υπόθεση καθαρού υγρού στην έξοδο του ακροφυσίου. Μοντελοποιεί την αλλαγή στο καθεστώς μέσα στην επεξεργασία του ακροφυσίου αναβοσβήνει σε μια ενοποιημένη προσέγγιση που προσομοιώνει τον μετασταθερό πίδακα τόσο μέσα όσο και έξω από το ακροφύσιο. Σημαντικοί μηχανισμοί όπως η θερμική μη ισορροπία, η αεροδυναμική διάσπαση, oι συγκρούσεις σταγονιδίων και η εξάτμιση μοντελοποιούνται σε ένα νέο μοντέλο ψεκασμού. Η τροποποιημένη Σ-εξίσωση χρησιμοποίησε έναν νέο όρο πηγής που προτείνεται για κρυογονικούς πίδακες. Ένα ευρύ φάσμα αριθμητικών δοκιμών παρουσιάζονται για επικύρωση και απόκτηση γνώσεων για την υποκείμενη φυσική. Οι κοντές και οι μεγάλες γεωμετρίες των ακροφυσίων ελέγχονται τόσο για απελευθέρωση χαμηλής όσο και για υψηλή πίεση για αναλαμπή νερό, R134A, υγρό άζωτο και LNG. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τυρβώδεις ροές τόσο για υποψυγμένα όσο και για υπέρθερμα υγρά που δείχνουν ότι η προτεινόμενη προσέγγιση μπορεί με ακρίβεια προσομοίωση της πρωτογενούς ψεκασμού.