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Modelling of spray-wall impingement

2016Doctoral thesis Open access
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datacite.subject.fosCiências Naturais::Ciências Físicaspt_PT
dc.contributor.advisorSilva, André Resende Rodrigues da
dc.contributor.advisorBarata, Jorge Manuel Martins
dc.contributor.authorRodrigues, Christian Michel Gomes
dc.date.accessioned2016-06-17T14:32:26Z
dc.date.available2016-06-17T14:32:26Z
dc.date.issued2016
dc.description.abstractWhen a drop collides with an interposed surface, three phases are usually involved: liquid (the drop), solid (the substrate) and gas (the surrounding environment). Such an event involves a number of parameters associated with the physical characteristics of the incident particles, the properties of the target surface, and the natural features of the air flow. Each occurrence leads to a singular outcome, since each particle experiences a different reality throughout the injection cycle. Therefore, the development of appropriate modelling strategies of this complex multi-phase flow requires a thorough understanding of the mechanisms underlying the spray impingement process. Several computational models have been reported in the open literature, although not always successfully. From these, only a few have attempted to replicate the more intricate scenarios that include the formation and development of a liquid film over the surface due to the deposition of previously injected particles, the presence of a high velocity cross-flowing gas, and the thermal effects promoted by the existence of hot walls. Even though these elements are some of the more influential parameters affecting the final outcome of spray-wall impacts, most of the simulations still neglect some of them in their formulation. Therefore, in order to capture the majority of the physical phenomena observed in experimental studies, CFD codes must be equipped with superior mathematical formulations. During the present doctoral research, three independent computational extensions have been devised and integrated into the model used by our research group to simulate spray-wall interactions. The upgrades — that have been proposed over the course of the study — have been denominated as the liquid film, evaporation and breakup sub-models. They are intended to complement the basic mathematical formulation adopted in the original simulation procedure. This approach has contributed to enhance the prediction capabilities of the model, since it is now capable of capturing some phenomena that were not considered previously. On the other hand, it has also extended the range of applicability of the CFD code to a new set of impact conditions (i.e., in hot environments and with a high velocity crossflow). Furthermore, the present work provides a detailed analysis of the results obtained, with major emphasis given to the disintegration mechanisms and secondary droplet characteristics. Both quantitative and qualitative comparisons between computational and experimental results are presented. When pertinent, the impact of a particular sub-model onto the outcome predicted is also evaluated by comparing the versions of the model with and without the corresponding computational extension. Moreover, a systematic approach is adopted at each section to infer the influence of different parameters on the final outcome. This methodology has been decisive to better understand the factors affecting the phenomena occurring during impact.pt_PT
dc.description.abstractQuando uma gota colide com uma superfície interposta, estão normalmente envolvidas três fases: líquida (a gota), sólida (o substrato) e gasosa (o ambiente circundante). Este evento envolve um determinado número de parômetros associados com as características físicas das partículas incidentes, as propriedades da superfície alvo, e as características naturais do escoamento de ar. Cada ocorrência conduz a um desfecho singular, uma vez que cada partícula experimenta uma realidade diferente ao longo do ciclo de injeção. Por conseguinte, a elaboração de estratégias de modelação adequadas deste escoamento multifásico complexo requer um conhecimento profundo dos mecanismos subjacentes ao processo relativo ao impacto de spray. Foram propostos vários modelos computacionais na literatura, embora nem sempre com sucesso. Destes, apenas alguns tentaram reproduzir os cenários mais intrincados que incluem a formação e desenvolvimento de um filme líquido sobre a superfície devido à acumulação de partículas anteriormente injetadas, a presença de um escoamento transversal com elevada velocidade, e os efeitos térmicos promovidos pela existência de paredes quentes. Embora estes sejam alguns dos parâmetros que mais influenciam o resultado final do impacto de sprays em paredes, a maioria dos modelos ainda negligenciam alguns deles na sua formulação. Assim, de modo a capturar a maioria dos fenómenos físicos observados em estudos experimentais, os códigos de CFD devem ser equipados com uma formulação matemática mais desenvolvida. Durante esta investigação, foram concebidas três extensões computacionais independentes. Estes desenvolvimentos foram, posteriormente, integrados no modelo utilizado para simular as interações spray-parede. Estes sub-modelos — que foram propostos ao longo do estudo — foram denominados de filme líquido, evaporação e breakup, e eram destinados a complementar a formulação matemática de base adotada na simulação original. Esta abordagem contribuiu para aumentar a capacidade de previsão do modelo uma vez que este é agora capaz de capturar alguns fenómenos que não eram considerados anteriormente. Por outro lado, permitiu alargar a gama de aplicabilidade do código de CFD para um novo conjunto de condições de impacto (isto é, em ambientes quentes e com escoamentos cruzados de alta velocidade). Além disso, este trabalho apresenta uma análise detalhada dos resultados obtidos, sendo que é atribuída grande ênfase aos mecanismos de desintegração e características de gotas secundárias. São recorrentemente apresentadas comparações entre os resultados computacionais e experimentais tanto de forma quantitativa como qualitativa. Quando pertinente, o impacto de um determinado sub-modelo para o resultado previsto na simulação é também avaliado através da comparação das versões do código de CFD com e sem o respetivo sub-modelo. Além disso, uma abordagem sistemática é adotada em cada secção para inferir acerca da influência de diferentes parâmetros sobre o resultado final. Esta metodologia revelou-se decisiva para compreender melhor os fatores que afetam os fenómenos decorrentes do impacto.pt_PT
dc.identifier.tid101410778
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10400.6/4183
dc.language.isoengpt_PT
dc.relationMODELLING OF A BIOFUEL SPRAY WALL IMPINGEMENT
dc.subjectImpacto de gotaspt_PT
dc.subjectInterações entre spray e paredept_PT
dc.subjectCaracterísticas das gotas secundáriaspt_PT
dc.subjectTransferência de calorpt_PT
dc.subjectPelícula líquidapt_PT
dc.subjectBreakuppt_PT
dc.subjectDeformação da gotapt_PT
dc.subjectSplashpt_PT
dc.titleModelling of spray-wall impingementpt_PT
dc.typedoctoral thesis
dspace.entity.typePublication
oaire.awardTitleMODELLING OF A BIOFUEL SPRAY WALL IMPINGEMENT
oaire.awardURIinfo:eu-repo/grantAgreement/FCT//SFRH%2FBD%2F77651%2F2011/PT
person.familyNameGomes Rodrigues
person.givenNameChristian
person.identifier.ciencia-id7F16-AA19-E5AA
person.identifier.orcid0000-0002-8177-4483
person.identifier.ridR-9636-2016
person.identifier.scopus-author-id55341335400
project.funder.identifierhttp://doi.org/10.13039/501100001871
project.funder.nameFundação para a Ciência e a Tecnologia
rcaap.rightsopenAccesspt_PT
rcaap.typedoctoralThesispt_PT
relation.isAuthorOfPublication4fa3a551-beb0-4268-b336-4e2563c5756f
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relation.isProjectOfPublication2c4f4195-4831-4bd2-a29c-fe4f2d5bd785
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thesis.degree.nameDoutor em Engenharia Aeronáuticapt_PT

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