dr inż. Rafał Rogóż

The influence of flash-boiling effect on droplet size distributions of low-pressure sprays under various ambient pressures and fluid temperatures

Abstract:

Zjawisko gwałtownego wrzenia zachodzi gdy ciecz ulega nagłemu zmniejszeniu ciśnienia poniżej ciśnienia nasycenia w danej temperaturze. W praktyce, realizacja takiego procesu może odbyć się podczas wtrysku cieczy, w trakcie którego dojdzie do nukleacji bąbli parowych. Tworzące się bąble spowodują przepływ dwufazowy w dyszy wtryskiwacza. Przy odpowiednich warunkach może również dość do zjawiska gwałtownego wrzenia na zewnątrz dyszy. Wówczas pęcherzyki pary, które znajdują się w pojedynczych kroplach ulegają gwałtownej ekspansji powodując „mikro eksplozje” i powstawanie mniejszych kropel.

Zjawisko gwałtownego wrzenia jest rozważane jako alternatywa do podwyższania ciśnienia wtrysku w celu poprawy atomizacji. Poprzez odpowiedni dobór parametrów cieczy przegrzanej, można otrzymać chmurę kropel, która będzie bardziej jednorodna pod względem rozmiaru i rozmieszczenia kropel w przestrzeni oraz będzie charakteryzować się mniejszymi kroplami, zmniejszoną penetracją i poszerzonym kątem stożka wtrysku.

Analiza literatury w temacie gwałtownego wrzenia ukazuje, że temat ten jest intensywnie eksplorowany przez wielu naukowców. Duży nacisk został położny za zrozumienie zjawisk towarzyszącym gwałtownemu wrzeniu, tj. poszerzeniu kąta wtrysku, zapadaniu się chmury kropel oraz redukcji rozmiarów kropel. Jednakże, w zakresie tych prac brak jest badań odnośnie wpływu stopnia przegrzewu na charakterystykę rozkładu rozmiarów kropel dla wtrysku pod niskim ciśnieniem. Dodatkowo brakuje oceny wpływu temperatury wtryskiwanej cieczy oraz ciśnienia otoczenia, sterowanych oddzielnie, na stopień redukcji średnicy kropel. Jest to szczególnie istotne ze względu na fakt, że badania dla wtryskiwaczy wysokociśnieniowych wskazały na wyraźny wpływ tych parametrów na proces atomizacji, pomimo tego, że gwałtowne wrzenie jest zjawiskiem dominującym. W niniejszej rozprawie, wskazana luka w aktualnym stanie wiedzy została uwzględniona.

Celem niniejszej pracy jest określenie wpływu gwałtownego wrzenia na charakterystyki rozkładu rozmiaru kropel oraz zamodelowaniu tego zjawiska w funkcji stopnia przegrzewu.. W tym celu przeprowadzono systematyczne badania podczas których wodę o różnej temperaturze wtryskiwano do komory o stałej objętości wypełnionej powietrzem pod różnym ciśnieniem. Kontrola temperatury cieczy odbywała się poprzez płaszcz chłodzący komercyjnego wtryskiwacza niskociśnieniowego, który zamontowany był w gnieździe komory z dostępem optycznym. Pomiar kropli odbywał się przy użyciu metody cienia z mikroskopią dalekiego zasięgu.

Wyniki badań pokazały, że zarówno ciśnienie otoczenia jak i temperatura wtrysku wpływa na redukcję wielkości kropel. Pokazano, że utrzymując ten sam stopień przegrzewu, wyrażony jako stosunek ciśnienia nasycenia do ciśnienia otoczenia, otrzymane dystrybucje rozmiarów kropel wyraźnie się różnią. Jednakże, pogrupowane wyniku ze względu na temperaturę wtrysku, jasno pokazują, że wszystkie grupy charakteryzują się podobnym i spójnym trendem tj. redukcją kropel w całym zakresie średnic kropel oraz stopniowym zmniejszaniem stopnia redukcji wraz z rosnącym przegrzewem.

Na podstawie wyników badań eksperymentalnych został utworzony model pozwalający na tworzenie rozkładów prawdopodobieństwa wielkości kropel w funkcji parametrów przegrzewu. Model ten uwzględnia uśredniony trend redukcji wielkości kropel, który został zaobserwowany dla każdej z rozważanych temperatur wtryskiwanej cieczy. Utworzony model odwzorowuje główne trendy z satysfakcjonującym poziomem dokładności dla wszystkich przebadanych warunków eksperymentu.