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Publication
Droplet Impact onto Heated Wetted Surfaces: A Fundamental Study
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 69.49 MB | Adobe PDF |
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Abstract(s)
The industrialisation and globalisation of the modern world severely increased the demand for energy production, primarily met by a dependence on fossil fuels. The projected exponential growth of the aviation sector will result in an increase in greenhouse gas and pollutant emissions. Due to this, researching sustainable and cleaner alternative fuels is crucial to neutralise the negative effects of conventional fuels. The physical and chemical processes occurring inside a combustion chamber include fluid dynamics, heat and mass transfer, combustion, among others. Specifically, the phenomena regarding the impact of droplets onto solid surfaces and liquid layers are often encountered in internal combustion engines, heat exchangers and spray cooling. Research on these applications focuses on understanding fluid flow and optimising heat and mass transfer mechanisms. Despite this, single droplets impacting onto liquid films are limited to isothermal conditions, as the influence of temperature on liquid films has been overlooked in the literature. Therefore, the primary objective of this work is researching the phenomena of droplet impact onto heated liquid films. An experimental facility was designed and adapted to account for isothermal and non-isothermal conditions. The key aspects of the experimental facility consist of high-speed imaging and heating systems. Prior to the impact phenomena, the liquid film characterisation is required in terms of temperature fields and evaporation rates. Subsequently, various outcomes from droplet impact are evaluated as a function of the liquid film temperature, including central jets, craters, splashing, and bubbling. Qualitative analysis is conducted on outcome development, while quantitative measurements focus on geometric parameters. Theoretical work is performed regarding the propagation of kinematic discontinuities in liquid layers and time scales for crater and central jet evolution, respectively. The experimental data provides a foundation for the implementation and validation of the numerical model. This model solves the incompressible Navier-Stokes equations coupled with the Volume of fluid (VOF) method under a 2D-axisymmetric assumption. The open-source Computational Fluid Dynamics (CFD) software Basilisk is adopted for the numerical simulations. Overall, the liquid film temperature and correspondent thermophysical properties play a major role in the impact dynamics. Higher values of the dimensionless temperature promote and increase the occurrence and number of secondary droplets, respectively. This is associated with lower values of viscosity and surface tension, contributing to higher Reynolds and Weber numbers. For the onset of boiling, the oscillations induced on the liquid film are not sufficient to affect the impact phenomena. The presence of vapour bubbles in the impact region decreases both the crown diameter and height, with its effect being more pronounced for the latter.
A industrialização e globalização do mundo moderno impulsionaram drasticamente a procura por produção de energia, atualmente sustentada por combustíveis fósseis. A previsão de crescimento exponencial do setor aeronáutico resultará num aumento de emissão de gases com efeito de estufa e poluentes. Devido a isto, a pesquisa de combustíveis alternativos mais limpos e sustentáveis é crucial para neutralizar os efeitos negativos de combustíveis convencionais. Dinâmica de fluidos, transferência de massa e calor, combustão, entre outros, são fenómenos físicos e químicos presentes numa câmara de combustão. O impacto de gotas em superfícies sólidas e em filmes de líquido é observado em diversas aplicações industriais, nomeadamente em motores alternativos de combustão interna, permutadores de calor e sistemas de refrigeração por pulverização. Nestas aplicações, a compreensão escoamento de fluidos, e otimização de mecanismos de transferência de massa e calor, são essenciais. Apesar disso, o impacto de gotas isoladas em filmes de líquido está limitado a condições isotérmicas, uma vez que a literatura não considera a influência da temperatura em filmes de líquido. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho é investigar os fenómenos do impacto de gotas em filmes de líquido aquecidos. Uma instalação experimental foi desenvolvida e adaptada para abranger condições isotérmicas e não-isotérmicas. A instalação experimental consiste maioritariamente num sistema de captura de imagem a alta velocidade e numa superfície de impacto aquecida. Primeiramente, a caracterização do filme de líquido foi efetuada em termos de campos de temperatura e taxas de evaporação. De seguida, os fenómenos do impacto das gotas são avaliados em função da temperatura do filme de líquido, incluindo jatos centrais, crateras, splashing, e bubbling. A análise qualitativa é realizada em relação ao desenvolvimento dos fenómenos de impacto, enquanto as medições quantitativas estão direcionadas aos parâmetros geométricos dos mesmos. Estudos teóricos são realizados relativamente à propagação de descontinuidades cinemáticas em fluidos e escalas de tempo para a evolução da cratera e jato central, respetivamente. Os dados experimentais constituem uma base fundamental para a implementação e validação do modelo numérico. Este modelo resolve as equações de Navier-Stokes em regime incompressível integradas com o método VOF (Volume of Fluid) considerando uma simetria axial 2D. As simulações numéricas são realizadas com o uso do software de CFD (Computational Fluid Dynamics) open-source Basilisk. A temperatura e as propriedades termofísicas do filme de líquido desempenham um papel importante na dinâmica de impacto. Temperaturas adimensionais mais elevadas promovem e aumentam, respetivamente, a ocorrência e o número de gotas secundárias. Isto deve-se a menores valores de viscosidade e tensão superficial, o que contribui para um aumento dos números de Reynolds e Weber. Para o início do ponto de ebulição, as oscilações induzidas no filme de líquido não são suficientes para afetar o fenómeno de impacto. A presença de bolhas de vapor na região de impacto reduz o diâmetro e a altura da coroa, sendo esse efeito mais pronunciado para a altura.
A industrialização e globalização do mundo moderno impulsionaram drasticamente a procura por produção de energia, atualmente sustentada por combustíveis fósseis. A previsão de crescimento exponencial do setor aeronáutico resultará num aumento de emissão de gases com efeito de estufa e poluentes. Devido a isto, a pesquisa de combustíveis alternativos mais limpos e sustentáveis é crucial para neutralizar os efeitos negativos de combustíveis convencionais. Dinâmica de fluidos, transferência de massa e calor, combustão, entre outros, são fenómenos físicos e químicos presentes numa câmara de combustão. O impacto de gotas em superfícies sólidas e em filmes de líquido é observado em diversas aplicações industriais, nomeadamente em motores alternativos de combustão interna, permutadores de calor e sistemas de refrigeração por pulverização. Nestas aplicações, a compreensão escoamento de fluidos, e otimização de mecanismos de transferência de massa e calor, são essenciais. Apesar disso, o impacto de gotas isoladas em filmes de líquido está limitado a condições isotérmicas, uma vez que a literatura não considera a influência da temperatura em filmes de líquido. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho é investigar os fenómenos do impacto de gotas em filmes de líquido aquecidos. Uma instalação experimental foi desenvolvida e adaptada para abranger condições isotérmicas e não-isotérmicas. A instalação experimental consiste maioritariamente num sistema de captura de imagem a alta velocidade e numa superfície de impacto aquecida. Primeiramente, a caracterização do filme de líquido foi efetuada em termos de campos de temperatura e taxas de evaporação. De seguida, os fenómenos do impacto das gotas são avaliados em função da temperatura do filme de líquido, incluindo jatos centrais, crateras, splashing, e bubbling. A análise qualitativa é realizada em relação ao desenvolvimento dos fenómenos de impacto, enquanto as medições quantitativas estão direcionadas aos parâmetros geométricos dos mesmos. Estudos teóricos são realizados relativamente à propagação de descontinuidades cinemáticas em fluidos e escalas de tempo para a evolução da cratera e jato central, respetivamente. Os dados experimentais constituem uma base fundamental para a implementação e validação do modelo numérico. Este modelo resolve as equações de Navier-Stokes em regime incompressível integradas com o método VOF (Volume of Fluid) considerando uma simetria axial 2D. As simulações numéricas são realizadas com o uso do software de CFD (Computational Fluid Dynamics) open-source Basilisk. A temperatura e as propriedades termofísicas do filme de líquido desempenham um papel importante na dinâmica de impacto. Temperaturas adimensionais mais elevadas promovem e aumentam, respetivamente, a ocorrência e o número de gotas secundárias. Isto deve-se a menores valores de viscosidade e tensão superficial, o que contribui para um aumento dos números de Reynolds e Weber. Para o início do ponto de ebulição, as oscilações induzidas no filme de líquido não são suficientes para afetar o fenómeno de impacto. A presença de bolhas de vapor na região de impacto reduz o diâmetro e a altura da coroa, sendo esse efeito mais pronunciado para a altura.
Description
Keywords
Impacto de gotas Filme de líquido quente Bolhas de vapor Transferência de calor e massa Dinâmica interfacial Droplet impact Heated liquid film Vapour bubbles Heat and mass transfer Interfacial dynamics