Internal Flow of Spill-Return Pressure-Swirl Atomizers
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tlakové vířivé trysky (TVT) jsou používané v mnoha aplikacích, kde je potřebná velká plocha kapek nebo kde povrch musí být nanesen kapalinou, např. spalování, sprejové chlazení nebo nanášení barev. Parametry spreje z TVT jsou úzce spojené s jejich vnitřním prouděním. Obtokové trysky vylepšují koncepci klasických TVT přítomností otvoru, skrz který může kapalina odtékat zpět do nádrže. Díky této koncepci je možné regulovat vstřikovací množství kapaliny změnou průtoku tímto otvorem, zatímco se ve vířivé komůrce udržuje vysoký tlak, který zaručí dobrou kvalitu spreje. Obtokové trysky byly historicky málo prozkoumány a jejich vnitřní proudění nebylo studováno téměř vůbec. V této práci je popsáno vnitřní proudění několika obtokových trysek jak experimentálně, tak numericky. Tato data jsou následně korelována s měřenými vlastnostmi spreje. Výsledky ukazují, že přidání obtokového otvoru silně ovlivní vnitřní proudění i v případech, kdy obtokem neproudí žádná kapalina. V některých případech se vůbec nezformuje vzdušné jádro a tím se destabilizuje výtok z trysky, čímž vznikne nestabilní sprej. Mimoosé obtokové otvory generují a stabilizují vzdušné jádro, což pomáhá formovat kapalinovou stěnu a vysoce kvalitní sprej. Nicméně některé konfigurace změnily charakter rozpadu kapalinové stěny, což se projevilo i na kvalitě spreje. Navíc regulační schopnost a stabilita spreje závisí na vzdálenosti obtokových otvorů od osy vířivé komůrky. Na závěr byla upravena neviskózní teorie, která analyticky popisuje vnitřní proudění v TVT, tak aby byla aplikovatelná i na obtokové trysky. Pomocí tohoto přístupu byla odvozena teoretická predikce výtokového součinitele a velikosti vzdušného jádra v závislosti na obtokovém poměru (SFR). Zároveň byly pro obtokové trysky upraveny empirické korelace původně odvozené pro TVT. Tato práce přináší nový vhled k porozumění vnitřního proudění obtokových trysek a její výsledky najdou uplatnění při jejich návrhu.
Pressure-swirl (PS) atomizers are used in many applications where a large surface area of droplets is needed, or a surface must be coated with a liquid, e.g. combustion, spray cooling or spray coating. Spray characteristics of PS atomizers are strongly linked to their internal flow. Spill-return (SR) atomizers enhance the construction of classic PS atomizers (Simplex) by addition of a passage through which the liquid can be spilled away. It allows regulation of an injection flow rate by spilling out a portion of the liquid from the swirl chamber, while the liquid pressure remains high. This ensures a good atomization quality over a wide flow rate range. The SR atomizers were rarely investigated and their internal flow has not been studied at all. In this thesis, both experimental and numerical approach is used to describe the internal flow pattern of several different SR atomizers. The results are then correlated with measured spray parameters. It shows that the addition of the spill passage strongly affects the internal flow even when the spill-line is closed. In some cases, the air-core does not form at all and destabilizes the discharged liquid, which results in the unstable spray. Off-axial SL orifices generate and stabilize the air-core, which leads to the regular formation of a liquid sheet and a high-quality spray. Nevertheless, some configurations changed the breakup nature of the liquid sheet and consequently the spray quality. Moreover, the turn-down ratio of the liquid supply rate and spray stability depend on the distance of the SL orifices from the swirl chamber centreline. Finally, an inviscid analysis of the internal flow, originally derived for the Simplex atomizers, was modified and applied to the SR atomizers. Using this approach, a theoretical prediction of the discharge coefficient and the air-core diameter was derived with spill-to-feed ratio (SFR) as the variable. Also, the empirical correlations, originally established for the Simplex type, were transformed to the SR atomizer. This thesis brings a new insight into the understanding of the internal flow of SR atomizers and its results can be directly used by engineers in the design process of the atomizer.
Pressure-swirl (PS) atomizers are used in many applications where a large surface area of droplets is needed, or a surface must be coated with a liquid, e.g. combustion, spray cooling or spray coating. Spray characteristics of PS atomizers are strongly linked to their internal flow. Spill-return (SR) atomizers enhance the construction of classic PS atomizers (Simplex) by addition of a passage through which the liquid can be spilled away. It allows regulation of an injection flow rate by spilling out a portion of the liquid from the swirl chamber, while the liquid pressure remains high. This ensures a good atomization quality over a wide flow rate range. The SR atomizers were rarely investigated and their internal flow has not been studied at all. In this thesis, both experimental and numerical approach is used to describe the internal flow pattern of several different SR atomizers. The results are then correlated with measured spray parameters. It shows that the addition of the spill passage strongly affects the internal flow even when the spill-line is closed. In some cases, the air-core does not form at all and destabilizes the discharged liquid, which results in the unstable spray. Off-axial SL orifices generate and stabilize the air-core, which leads to the regular formation of a liquid sheet and a high-quality spray. Nevertheless, some configurations changed the breakup nature of the liquid sheet and consequently the spray quality. Moreover, the turn-down ratio of the liquid supply rate and spray stability depend on the distance of the SL orifices from the swirl chamber centreline. Finally, an inviscid analysis of the internal flow, originally derived for the Simplex atomizers, was modified and applied to the SR atomizers. Using this approach, a theoretical prediction of the discharge coefficient and the air-core diameter was derived with spill-to-feed ratio (SFR) as the variable. Also, the empirical correlations, originally established for the Simplex type, were transformed to the SR atomizer. This thesis brings a new insight into the understanding of the internal flow of SR atomizers and its results can be directly used by engineers in the design process of the atomizer.
Description
Citation
MALÝ, M. Internal Flow of Spill-Return Pressure-Swirl Atomizers [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2021.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Stanislav Honus, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc. (člen)
doc. RNDr. Miroslav Doložílek, CSc. (člen)
Ing. Petr Lindovský (člen)
Date of acceptance
2021-03-01
Defence
Práce přinesla nové poznatky v oboru. Doktorand splnil požadavky předepsané studijním řádem. Řešené téma je aktuální s potvrzeným tržním využitím.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení