بخشی از مقاله
چکیده
یکی از انژکتور هایی که به منظور اتمیزاسیون سیال استفاده می شود انژکتور دوسیاله هوا وزش می باشد. این انژکتور به دلیل راندمان اتمیزاسیون بالا و یکنواختی پاشش و پاشش مخروطی از جمله انژکتورهایی مورد استفاده در کاربرد های احتراقی است است. از آنجاییکه کاهش قطر قطرات یکی از عوامل سنجش کیفیت اتمیزاسیون میباشد و بهبود فرایند احتراق و کاهش آلودگی تا حد زیادی به این عامل بستگی دارد لذا در این نوشتار بر کاهش قطر قطرات در انژکتور دوسیاله هوا- وزش تمرکز شده است.
در این بررسی آب به عنوان سیال عامل و هوا به عنوان اکسیدکننده می باشد که با این سوخت و اکسیدکننده به اثر پارامتر های پاشش از جمله سرعت هوا، قطر نازل بر کاهش قطر قطرات پرداخته شده است. همچنین تغییرات قطر ساتر با نسبت شار جرمی سوخت و اکسیدکننده مطالعه و با دادههای آزمایشگاهی مقایسه و اعتبارسنجی شده است.
مقدمه
اتمیزاسیون مناسب و یکنواخت سوخت و اکسیدکننده از طریق انژکتور در صفحه انژکتور سبب فراهم نمودن یک احتراق پایدار و موثر در محفظه احتراق خواهد شد از این رو توجه به قلب موتور یعنی محفظه احتراق و انژکتور سبب میشود که هم در مصرف سوخت صرفه جویی شود و هم آلودگی کمتر شود و همچنین نیروی تراست مناسبی داشته باشیم. برای دستیابی به یک احتراق پایدار یکی از موارد بسیار مهم انژکتور است. که باید از میان انژکتورها، انژکتوری که از همه در پاشش و اتمیزاسیون با کیفیتتر است و دارای توزیع یکنواختی در پاشش سیال است را انتخاب کرد.
از جمله انژکتورهای با این خصوصیات انژکتورهای دوسیاله هستند از جمله مزیت های آنها این است که سوخت و اکسیدکننده از یک انژکتور خارج می شوند و با بازده بالا با هم مخلوط میگردند این انژکتورها میتوانند شرایط یک احتراق نزدیک به کامل را ایجاد کنند همچنین سبب کاهش احتمال ناپایداری احتراقی خواهند شد .[1] نظر به این پاشش یکنواخت و اتمیزاسیون مناسب سوخت، از یکی از انواع این انژکتورها با عنوان انژکتور دوسیاله هوا وزش استفاده شده است.
از جمله محققانی که به طور ویژه روی این انژکتور مطالعه داشتنهاند می توان به لفبره[2] 1 و بعد از آن لین و ریتز[3] 2، لاشرز و هافینگر[4] 3، سیریگنانو و مهرینگ[5] 4 و بابین اسکای و سجکا5 [6] اشاره داشت.
اتمیزاسیون سیال در انژکتور هوا-وزش می تواند به دو قسمت تقسیم شود منطقه شکست اولیه نزدیک نازل انژکتور و منطقه شکست ثانویه دور از نازل
مطالعه زیادی بر روی شکست اولیه و ثانویه و انواع مدلهای آن صورت گرفته است. در سال 1991 اروگلو6 و همکاران طول شکست اولیه جت سیال را در یک انژکتور دوسیاله هم محور اندازه گرفتند و نتایجی را برای ارتباط بین طول شکست و اعداد رینولدز و وبر بدست آوردند .[8] انگلبرت7 و همکاران [9]، مایر و برانام[10] 8 هم از جمله دیگر محققانی هستند که بیشترین تمرکز پژوهششهایشان بر روی طول شکست و ارتباطش با دیگر پارامترهای حاکم بر مسئله بوده است.
یکی از این پارامترها قطر قطرات میباشد برای اندازهگیری قطر قطرات چندین نوع قطر معرفی شدهاند از جمله آنها میتوان به D31, D30, D20, D10 و D32 اشاره داشت که معروفترین آنها D32 یا قطر ساتر - 9 - smd است. در میان پژوهشگران شاید بتوان بیشترین سهم تحقیق و پژوهش را به ناکیاما و تاناساوا - 1939 - 10 داد چرا که آنها توانستند در طی تحقیقات خود به رابطه بسیار مهم برای قطر ساتر و پارامترهای پاشش برسند
در انژکتوری که در این جا مورد بحث است سیال عامل از مرکز انژکتور با سرعت خیلی کم و جریان هوا از اطراف آن و با سرعت خیلی زیاد خارج میشود. که در طی خروج سیال عامل و هوا از انژکتور فرآیند اتمیزاسیون و شکست جت سیال شروع میشود. آنچه که در این نوشتار مورد بحث است بررسی اثر سرعت هوا و قطر نازل انژکتور بر قطر ساتر است که این بررسی به صورت عددی انجام شده و در ادامه با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است.
معادلات حاکم
معادلات حاکم بر فاز پیوسته - هوا - همان معادلات معروف ناویر استوکس است که بر مبنای آن ها حرکت هوا در حجم کنترل خارج از انژکتور شبیه سازی می شود. مجموع این معادلات در زیر بدان اشاره شده است
معادله - - 1 پیوستگی است که در آن t ، ، u و به ترتیب زمان، چگالی، سرعت و پارامتر چشمه مربوط به جرم تبخیر شده قطرات است. معادله دوم که در اینجا مطرح است معادله بقای مومنتوم است. در این معادله g و ثابتهای گرانش و ویسکوزیته دینامیکی هستند.
سومین معادله، معادله بقای انرژی است. معادلهی بقای انرژی در حالت کلی به صورت معادلهی - 3 - است، در این رابطه q ، T ، و C p به ترتیب پارامتر چشمه ی مربوط به گرمای آزادشده ی قطرات، دما، ضریب رسانش حرارتی، ظرفیت حرارتی می باشند.
اما ردیابی ذرات - فاز گسسته - در حجم کنترل در تعامل با فاز پیوسته از معادله - - 4 تبعیت می کند. در این معادله ترم های مختلفی از جمله نیروی درگ، نیروی گرانش و دیگر نیروهایی همانند گرادیان فشار و نیروهای حاصل از حرکت براونی ذرات میتواند لحاظ شود و این بستگی به نوع مسئله و اهمیت وجود و یا عدم وجود برخی از نیروها در جواب مسئله دارد.
که در این معادله u p سرعت قطرات - فاز گسسته - ، u سرعت هوا - فاز پیوسته - ، FD نیروی درگ در واحد جرم ذرات، p چگالی ذرات و چگالی سیال است و F نیروهای اضافی است که در متن اشاره شد.
رژیم های شکست جت سیال
پیش بینی رفتار سیال در خروج از انژکتور، علتِ مطالعه عددی و آزمایشگاهی پژوهشگران و محقیقن داخل و خارج است. در سال 1986ریتز و براکو 1 چهار رفتار احتمالی را برای خروج سیال از انژکتور پیش بینی کردند. این رفتارها که در کتب مرجع، با عنوان رژیم های شکست جت سیال از آن ها یاد میشود عبارتند از:
1. رژیم رایلی: - a - 2 قطر ذرات سیال بزرگتر از قطرات جت می باشد. می باشد. پدیده ی شکست در فاصله هایی چندین برابر قطر نازل در پایین دست جریان اتفاق میافتد.
2. رژیم القایی اول: - b - 3 قطر قطرات هم مرتبه با قطر جت می باشد. که همانند مدل رایلی پدیده ی شکست در فاصله ی دورتر از نازل اتفاق میافتد.
3. رژیم القایی دوم: - c - 4 سایز قطرات کوچکتر از قطر جت می باشد در این رژیم شکست با فاصله کمی از پایین دست نازل اتفاق میافتد.
4. رژیم اتمیزاسیون - : - d سایز قطرات بسیار کوچکتر از قطر جت می باشد. در این رژیم پدید ه ی شکست در ابتدای خروجی نازل اتفاق میافتد.
برای توصیف مقداری فرایند شکست جت، اونسورج5 در سال 1931اندازه گیری های بدون خطای طول جت را انجام داد و دریافت که با داشتن اطلاعاتی از جت سیال میتوان پیش بینی کرد که در خروج از انژکتور این جت مطابق کدام یک از رژیمها رفتار می کند. این پیشبینی بسته به مقادیر اعداد وبر و رینولدز است. همانطور که مشخص است عدد وبر و عدد رینولدز مطابق رابطههای زیر بدست میآیند.
که این رابطه تمام ویژگی های سیال مربوطه - مانند کشش سطحی در سطح مشترک گاز مایع - - ، چگالی مایع - - l و لزجت دینامیکی مایع - - - l را در خود دارد. همچنین D قطر حفره نازل می باشد. شکل1 دیاگرام اونسورج را نشان میدهد که به صورت تابعی از عدد رینولدز داده شده است.
شکل:1 رژیم های شکست جت جریان خروجی از انژکتور
مطالعه عددی
به منظور پیاده سازی مطالعه عددی و فرآیند مدلسازی می بایست در ابتدا هندسه مسئله را مطابق شماتیکی که از انژکتور مورد مطالعه موجود است طراحی کرد.
شکل :2 شماتیکی از انژکتور هوا-وزش جریان محوری
