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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The present work has the objective of perfecting our knowledge related to spray impact, which
is of paramount importance for the optimization of a wide variety of investigation areas, such
as combustion systems, coating and cooling processes, and also pollutant emissions. This last
referred area has been gaining more and more importance due to the obvious environmental
concerns that we face in our age. For these reasons,a remarkable effort by the scientific community
has been made in order to deepen the understanding of the mechanisms underlying the
spray impingement process. In this dissertation, and through numerical analysis, our in-house
code was adapted to reflect the impingement conditions and secondary atomization treatment
proposed by Ma et al. [41]. The complex relations between incident spray and the corresponding
impact surface are yet far from being duly elucidated, whereby this paper aims to bring
us closer to that objective. Evidently, an extensive bibliographic review was performed about
theoretical and computational concepts. There are numerous computational models in literature
that intend to portray the relation between the impinging spray and the impact surface.
Although, not all of these models display the complexity necessary to represent different types
of conditions, such as the presence of liquid film or even the existence of a temperature so
high that prevents the contact between spray and wall through the generation of a vapor layer.
This phenomenon is commonly known as ”Leidenfrost effect” and is usually neglected. One of
the first to emerge was proposed by Naber and Reitz, employing the KIVA code, and proposed
a single threshold to determine if splash occurred or not. At first glimpse, this model was obviously
flawed by way of not accounting for the conditions of occurrence of each impingement
regime. Later on, Senda presented a model of their own that was able to predict not only secondary
atomization and liquid film formation resulting from the impinging droplets, but also the
heat transfer process present in such situation. Sendas’s model despite presenting moderate
accuracy, lacked the adaptability to a wider spectrum of applications. Bai and Gosman, using
the " model for the gas phase and a stochastic Lagrangian method for the spray, tried to
solve this lack of adaptability by modelling the effect of wall conditions and introducing several
new regimes. The results translated in improvements describing the secondary droplets, mainly
through fitting secondary droplets in a chi-squared distribution and by including surface energy
and film dissipation in the conservation equations. Despite these satisfactory results, this model
also failed to attain general applicability.
Taking into account recent literature alterations, parameters such as saturation temperature
and liquid film thickness were utilized to establish more detailed boundary conditions with the
intent to represent a more extended range of possible scenarios.
In the application of this model a distinction was made between corona splash and prompt splash
due to the fact that secondary droplets present different characteristics for each case. Questions
such as expansion of the lamella, crown formation and propagation, as well as splashed
film mass or transformed mass from crown to secondary droplets became of paramount importance
during all the stages of the identified regime and were all detailed in this model.
The size and velocity of secondary droplets depend strongly on the initial conditions of the spray
at the injector exit, as well as the interaction between incident droplets, crossflow, liquid film,
evaporation rate, and interposed hot wall. All these parameters are considered in this macroscopic
model of the spray/wall interactions.
This dissertation allows us to obtain a detailed analysis about the properties of secondary
droplets. In what concerns this subject, a new regime was implemented to a specific gap of boundary conditions and denominated ”uncertain region”. This regime quantifies the probability
of splash or rebound occurrence through a uniform distribution since the available information
for these conditions is very scarce. Moreover, simulations are carried out for predicting the
outcome of flows, including liquid film formation, droplet breakup, and spray evaporation. The
numerical results are then compared against experimental data available in open literature to
ascertain the predictions capabilities and validate the model.
O presente trabalho tem como objetivo aperfeiçoar o conhecimento relativo ao impacto de sprays, que é de extrema importância para a otimização de uma variedade de áreas de investigação, tais como sistemas de combustão, processos de coating ou até de arrefecimento, e também emissões de diversos poluentes. Esta última área de investigação referida tem vindo a ganhar cada vez mais relevância devido a óbvias preocupações ambientais que enfrentamos em pleno século vinte e um. Ao longo deste trabalho, o nosso in-house code foi adaptado para aplicar as condições de fronteira e tratamento de atomização secondária propostas por Ma et al. [41]. As complexas relações entre o spray incidente e a correspondente superfície de impacto ainda estão longe de estarem devidamente elucidadas, pelo que este trabalho visa aproximarnos desse objetivo. Foi também, evidentemente, realizada uma extensa revisão bibliográfica relativa a todas as diferentes facetas deste trabalho, ou seja, tanto ao campo teórico como ao computacional. Existem na literatura diversos modelos computacionais que pretendem retratar a relação entre o spray projetado e a superfície de impacto. Contudo, existe também uma clara impossibilidade física de reproduzir todas as condições possíveis desse mesmo impacto, o que torna todo o tipo de adição a este contexto extremamente útil. Um dos primeiros modelos a emergir foi proposto por Naber e Reitz, pelo que utilizava um código KIVA, e propunha um único critério de transição para determinar se ocorria ou não splash. À primeira vista, este modelo apresentava limitações claras uma vez que não contabilizava as condições de ocorrência de cada regime de impacto. Anos mais tarde, Senda apresentou um modelo que permitia prever não só atomização secondária e a formação de liquid film resultante do impacto, mas também o processo de transferência de calor resultante deste processo. Este modelo proposto por Senda, apresentava resultados relativamente precisos, contudo carecia de adaptabilidade, algo que limitava o seu leque de aplicação gravemente. Bai e Gosman, utilizando o modelo " para a fase de gás e um método estocástico Lagrangiano para a fase de spray, tentaram preencher a falta de aplicabilidade do modelo de Senda, através da introdução de de novos regimes e da modelação das condições da parede. Os resultados traduziram-se em melhorias no que toca à descrição das gotas secondárias, principalmente através da utilização de uma distribuição qui-quadrado, e da inclusão de energia de superfície e dissipação de film nas equações de conservação. Apesar destes esforços, também este modelo não conseguiu vingar amplamente. Tendo em conta alguma alterações que emergiram de literatura recente, foram utilizados parâmetros como a temperatura de saturação e altura do filme de líquido para estabelecer condições de fronteira mais pormenorizadas e precisas que representassem fielmente um mais alargado leque de situações. Estas alterações de condições de fronteira, juntamente com a adição de novas equações representativas da conservação de massa e energia, permitiram que se tratassem as gotas secundárias como uma coroa em formação e posterior rim. Este trabalho permite obter uma análise pormenorizada aos resultados obtidos, pelo que há um claro foco de análise no que respeita às propriedades das gotas secundárias. No que toca a este assunto, um novo regime relativo às propriedades das gotas secundárias foi inserido e denominado ”região incerta”. Este quantifica a probabilidade de ocorrer splash ou ressalto mediante uma distribuição gaussiana, uma vez que a quantidade de informação disponível para estas condições de aplicação é escassa. Este trabalho permite, igualmente, estabelecer uma clara distinção entre corona e prompt splash, o que acrescenta uma quantidade de condições reprodutíveis considerável ao nosso código in-house.
O presente trabalho tem como objetivo aperfeiçoar o conhecimento relativo ao impacto de sprays, que é de extrema importância para a otimização de uma variedade de áreas de investigação, tais como sistemas de combustão, processos de coating ou até de arrefecimento, e também emissões de diversos poluentes. Esta última área de investigação referida tem vindo a ganhar cada vez mais relevância devido a óbvias preocupações ambientais que enfrentamos em pleno século vinte e um. Ao longo deste trabalho, o nosso in-house code foi adaptado para aplicar as condições de fronteira e tratamento de atomização secondária propostas por Ma et al. [41]. As complexas relações entre o spray incidente e a correspondente superfície de impacto ainda estão longe de estarem devidamente elucidadas, pelo que este trabalho visa aproximarnos desse objetivo. Foi também, evidentemente, realizada uma extensa revisão bibliográfica relativa a todas as diferentes facetas deste trabalho, ou seja, tanto ao campo teórico como ao computacional. Existem na literatura diversos modelos computacionais que pretendem retratar a relação entre o spray projetado e a superfície de impacto. Contudo, existe também uma clara impossibilidade física de reproduzir todas as condições possíveis desse mesmo impacto, o que torna todo o tipo de adição a este contexto extremamente útil. Um dos primeiros modelos a emergir foi proposto por Naber e Reitz, pelo que utilizava um código KIVA, e propunha um único critério de transição para determinar se ocorria ou não splash. À primeira vista, este modelo apresentava limitações claras uma vez que não contabilizava as condições de ocorrência de cada regime de impacto. Anos mais tarde, Senda apresentou um modelo que permitia prever não só atomização secondária e a formação de liquid film resultante do impacto, mas também o processo de transferência de calor resultante deste processo. Este modelo proposto por Senda, apresentava resultados relativamente precisos, contudo carecia de adaptabilidade, algo que limitava o seu leque de aplicação gravemente. Bai e Gosman, utilizando o modelo " para a fase de gás e um método estocástico Lagrangiano para a fase de spray, tentaram preencher a falta de aplicabilidade do modelo de Senda, através da introdução de de novos regimes e da modelação das condições da parede. Os resultados traduziram-se em melhorias no que toca à descrição das gotas secondárias, principalmente através da utilização de uma distribuição qui-quadrado, e da inclusão de energia de superfície e dissipação de film nas equações de conservação. Apesar destes esforços, também este modelo não conseguiu vingar amplamente. Tendo em conta alguma alterações que emergiram de literatura recente, foram utilizados parâmetros como a temperatura de saturação e altura do filme de líquido para estabelecer condições de fronteira mais pormenorizadas e precisas que representassem fielmente um mais alargado leque de situações. Estas alterações de condições de fronteira, juntamente com a adição de novas equações representativas da conservação de massa e energia, permitiram que se tratassem as gotas secundárias como uma coroa em formação e posterior rim. Este trabalho permite obter uma análise pormenorizada aos resultados obtidos, pelo que há um claro foco de análise no que respeita às propriedades das gotas secundárias. No que toca a este assunto, um novo regime relativo às propriedades das gotas secundárias foi inserido e denominado ”região incerta”. Este quantifica a probabilidade de ocorrer splash ou ressalto mediante uma distribuição gaussiana, uma vez que a quantidade de informação disponível para estas condições de aplicação é escassa. Este trabalho permite, igualmente, estabelecer uma clara distinção entre corona e prompt splash, o que acrescenta uma quantidade de condições reprodutíveis considerável ao nosso código in-house.
Description
Keywords
Corona Splash Filme de Líquido Impacto de Spray Leidenfrost Prompt Splash Ressalto Superfície Quente Impacto de Gotas