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Spray generated by an airblast atomizer: atomization, propagation and aerodynamic instability

Batarseh, Feras Zaki Musa :
Spray generated by an airblast atomizer: atomization, propagation and aerodynamic instability.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Ph.D. Thesis - PDF (Spray Generated by an Airblast Atomizer)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Spray generated by an airblast atomizer: atomization, propagation and aerodynamic instability
Language: English
Abstract:

This thesis presents a study that has been performed to investigate different phenomena exhibited by a spray generated by an airblast atomizer. Three main subjects are addressed: • Characterization of the spray generated by an airblast atomizer at various operating conditions, including ambient pressure, airflow rate and liquid flow rate. • Investigation of instationary phenomena in spray, its natural and forced oscillations • Modelling of spray atomization inside the nozzle Characterization of both liquid and gas phases of the two-phase flow of an airblast spray is performed using high-speed video imaging, Particle Image Velocimetry and the phase Doppler technique. Three velocity components profiles and size distribution of the droplets in the spray are obtained. The effect of three parameters on the velocity profile and the size distribution, namely; chamber pressure, liquid flow rate and airflow rate has been thoroughly investigated. The collected data can be used for the validation of the numerical Euler-Lagrange code developed for simulation of spray propagation. Next, spray fluctuations at various chamber pressures are characterized using two techniques, namely; Proper Orthogonal Decomposition of time-resolved images and spectral analysis of laser Doppler velocity data. The airblast spray frequency exhibited a strong dependency on the chamber pressure and the gas-phase flow rate and is totally independent of the liquid phase flow rate. The obtained frequencies from both techniques match each other closely. Scaling analysis of the spray frequency demonstrates that it depends only on the average air velocity at the nozzle outlet and on the atomizer geometry. A specific Strouhal number is proposed which could be used as a predictive tool for the determination of spray frequencies at various operational conditions. The value of the Strouhal number depends only on the geometry and type of the atomizer. For the atomizer used in this study the empirical value of the Strouhal number is determined as . The effect of oscillating downstream pressure conditions on the airblast spray is qualitatively investigated. It is found that small pressure oscillating magnitudes has a noticeable effect on the spray behavior. Furthermore, the penetration velocity of the spray under the oscillating pressure conditions is estimated by analyzing the high-speed video images. It is found that the penetration velocity and the oscillation frequency increase when increasing the chamber pressure. Then, in order to better understand the mechanism of film formation in an airblast atomizer with pre-filmer, an auxiliary series of spray impact experiments onto inclined targets experiments are performed the outcome of the impingement process is investigated. The film thickness of the residual liquid on the target is estimated by processing high-speed video images whereas the ejected droplets are characterized using the phase Doppler technique. The experimental data is used to express the film thickness as function of the primary spray parameters. Finally, a novel scaling analysis for the droplet size in the airblast spray is proposed based on the energy balance principle in the framework of the chaotic disintegration theory. The model is validated by the comparison with the experimental data from this and other studies.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung verschiedener Phänomene, die bei der Sprayentstehung eines Airblast Zerstäubers auftreten. Drei Hauptaspekte werden betrachtet: • Charakterisierung des entstehenden Sprays im Airblast Zerstäuber bei verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich des Umgebungsdrucks • Untersuchung der instationären Phänomene im Spray sowie der natürlichen und erzwungenen Sprayoszillationen • Modellierung der Sprayzerstäubung im Inneren der Düse Die Charakterisierung der flüssigen und gasförmigen Phase der Strömung im Airblast Zerstäuber wurde mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Particle Image Velocimetry und der Phase-Doppler Technik durchgeführt. Dreidimensionale Geschwindigkeitsprofile und die Größenverteilungen der Tropfen im Spray konnten so bestimmt werden. Die Einflüsse des Kammerdrucks, sowie des Flüssigkeits- und Luftvolumenstroms auf das Geschwindigkeitsprofil und die Größenverteilung wurden intensiv untersucht. Die erhaltenen Daten werden für die Validierung des numerischen Euler-Langrange Verfahrens zur Simulation der Sprayausbreitung verwendet. Zwei Methoden wurden zur Messung der Sprayfluktuationen bei verschiedenen Kammerdrücken angewendet: Proper Orthogonal Decomposition der zeitaufgelösten Bilder und die Spektralanalyse der Laser-Doppler Anemometrie Daten. Die Ergebnisse zeigen, dass die dominante Airblast Sprayfrequenz eine starke Abhängigkeit vom Kammerdruck und dem Volumenstrom der Gasphase aufweist und dabei im untersuchten Parameterbereich völlig unabhängig vom Volumenstrom der flüssigen Phase ist. Die ermittelten Frequenzen beider Techniken zeigen eine enge Übereinstimmung. Die Skalierungsanalyse der Sprayfrequenzen veranschaulicht, dass die Frequenz ausschließlich von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit am Düsenaustritt und von der Zerstäubergeometrie abhängt. In diesem Zusammenhang wird eine Strouhal-Zahl ermittelt, die die Vorhersage der Sprayfrequenzen für verschiedene Betriebszustände erlaubt. Die Strouhal-Zahl hängt hierbei von der Geometrie und Typ des Zerstäubers ab. Der empirisch ermittelte Wert der Strouhal-Zahl für den Zerstäuber der vorliegenden Arbeit beträgt St = 0,75. Im Weiteren wurde der Einfluss von oszillierendem Drücken auf das Airblast Spray qualitativ untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass kleine Druckschwankungen einen deutlichen Einfluss auf das Sprayverhalten haben. Weiterhin wurde die Durchdringungsgeschwindigkeit des Sprays unter oszillierenden Druckbedingungen mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen abgeschätzt. Dabei zeigte sich, dass die Durchdringungsgeschwindigkeit steigt, wenn Kammerdruck und Oszillationsfrequenz erhöht werden. Im Hinblick auf ein besseres Verständnis der Mechanismen während der Filmbildung in einem Airblast Zerstäuber mit Filmleger, wurden Experimente zum Sprayaufprall auf einer schiefen Ebene durchgeführt. Die Filmdicke der Restflüssigkeit auf der Oberfläche wurde mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen abgeschätzt und gleichzeitig wurde das Verhalten der entstehenden Tropfen mittels der Phase-Doppler Technik charakterisiert. Aus den experimentellen Daten kann die Filmdicke als Funktion der erfassten Sprayparameter bestimmt werden. Abschließend wird eine neue Skalierungsmethode für die Tropfengrößen des Sprays basierend auf dem Energieerhaltungsprinzip im Rahmen der „Chaotic Disintegration Theory“ vorgestellt. Das Modell wurde durch den Vergleich mit den Versuchsergebnissen validiert.German
Uncontrolled Keywords: Atomization, film break up, airblast spray, spray/wall interaction
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Atomization, film break up, airblast spray, spray/wall interactionEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Date Deposited: 06 Feb 2009 09:44
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13109
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Dreizler, Prof. Andreas and Roisman, Priv. Doz. Ilia V.
Refereed: 12 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1310
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