Motivation and objectives
The problem of breakup of a liquid fuel in a crossflow finds relevance in applications such as lean premixed prevaporized (LPP) ducts, afterburners for gas turbines and combustors for ramjets and scramjets. Combustion efficiency and pollutant formation are directly determined by the efficient mixing of the fuel/air mixture, which is in turn controlled by the breakup of the fuel jet. Liquid jet breakup in a crossflow is a result of a complex process that includes development of instabilities along the liquid surface along with shedding of ligaments and drops from the sides of the injected liquid column. The breakup is amplified by the presence of various contributing factors: turbulence in the crossflow and liquid jet, cavitation in the injection nozzle, pressure fluctuations and aerodynamic sources. The subject of liquid jet in crossflow (LJCF) has been the focus of several experimental studies with the primary objective of understanding the phenomenon better and proposing physical models for liquid breakup. Various regimes of liquid breakup have been observed both for turbulent and non-turbulent round liquid jets in crossflow, and the effect of variation in physical variables that characterize both the liquid jet injection and crossflow has been investigated (Sallam et al. 2004; Lee et al. 2007). From the experimental datasets, phenomenological scaling laws for various statistics such as liquid jet penetration and trajectory, Sauter mean diameter of drops and wavelength of liquid surface instabilities have been proposed. These models have also been adapted into computational fluid dynamics (CFD) calculations of gas turbine combustors and spray flames (Madabhushi et al. 2004; Raju 2005). Yet, predictive models for primary breakup of turbulent liquid jets that can predict a drop size distribution for a given set of inlet and ambient conditions are still unavailable. Our understanding of the precursors of ligament shedding and drop formation from the surface of the liquid jet is still inadequate to enable us to propose such models. Although experiments have shed light on some of these aspects, further investigation is necessary. It is challenging to obtain detailed measurements in the near field region (close to the injector) and inside the liquid jet that are needed to accurately quantify these precursors. It is also challenging to perform parametric experimental studies that isolate the effect of density ratio, crossflow and liquid jet Reynolds number and other non-dimensional groups related to the LJCF. Using numerical simulations, on the other hand, one can ideally explore the entire parametric space that characterizes the LJCF. With the advent of novel robust and accurate numerical methods to simulate the complex interfacial structures observed during liquid breakup and the availability of large, high-performance computational resources, one is in a position to quantify and understand fundamental mechanisms associated with liquid primary breakup with unprecedented detai
انگیزه و اهداف
مسئله جداسازی سوخت مایع در یک جریان ضربدری به کاربردهایی مثل کانال های نازک پیش تبخیرشده پیش مخلوط شده (LPP)، پس سوزها برای توربین های گازی و محفظه های احتراق برای رام جت ها مربوط می شود. بازدهی احتراق و تشکیل آلاینده مستقیما به وسیله ترکیب موثر مخلوط سوخت/هوا معین می شود که در مقابل به وسیله جداسازی جت سوخت کنترل می گردد. جداسازی جت مایع در یک جریان ضربدری، نتیجه ای از یک فرآیند پیچیده است که شامل پیشروی ناپایداری ها در راستای سطح مایع همراه با ریزش لیگامنت ها و قطرات از کناره های ستون مایع تزریق شده می شود. جداسازی به وسیله حضور عوامل مختلف دخیل تقویت می شود: آشفتگی در جریان ضربدری و جت مایع، تولید حباب در نازل تزریق، نوسانات فشار و منابع آیرودینامیک.
موضوع جت مایع در جریان ضربدری (LJCF) تهدف چندین تحقیق تجربی با مقصود اصلی درک بهتر این پدیده و ارائه مدلهای فیزیکی برای جداسازی مایع بوده است. نواحی مختلف جداسازی مایع برای هر دو جت مایع گرد (مدور و استوانه ای) آشفته و غیرآشفته در جریان ضربدری مشاهده شده اند و اثر تغییر متغیرهای فیزیکی که هم تزریق جت مایع و هم جریان ضربدری را مشخص می کنند، مطالعه گردیده است (Sallam et al. 2004; Lee et al. 2007). از پایگاه داده تجربی، قوانین مقیاس بندی پدیده ها برای آمار مختلفی چون نفوذ جت مایع و مسیر حرکت آن ، متوسط قطر ساوتر (Sauter) قطرت و طول موج ناپایداری های سطح مایع پیشنهاد شده اند. این مدلها همچنین با محاسبات دینامیک سیال محاسباتی (CDF) درباره محفظه های احتراق توربین گازی و شعله های اسپری تطبیق داده شده اند (Madabhushi et al. 2004; Raju 2005). با این همه، مدلهای پیشگو برای یک مجموعه مفروض از ورودی و شرایط محیط، هنوز موجود نیستند. شناخت ما از پیش ماده های ریزش لیگامنت و تشکیل قطره از سطح جت مایع، هنوز آنقدر کافی نیست که ما را به ارائه چنین مدلهای قادر سازد. گرچه آزمایشات، برخی از این جنبه ها را توضیح می دهند، تحقیق بیشتر ضروری است. به دست آوردن اندازه گیری های دقیق در ناحیه میدان نزدیک (نزدیک به انژکتور) و داخل جت مایع که برای تعیین دقیق این پیش ماده ها لازم هستند، دشوار است. انجام مطالعات تجربی پارامتری که اثر نسبت چگالی، عدد رینولدز جت مایع و جریان ضربدری و دیگر گروه های بدون بعد دیگر مربوط به LJCF را از هم تفکیک نماید، چالش برانگیز است. از طرفی با استفاده از شبیه سازی های عددی می توان کل فضای پارامتری که LJCF را مشخص می کند، بطور ایده آل بررسی نمود. با پیدایش روش های عددی دقیق و نیرومند برای شبیه سازی ساختارهای بین سطحی پیچیده که در طی جداسازی مایع مشاهده شده و نیز دردسترس پذیری منابع محاسباتی بزرگ و پربازده، فرد می تواند مکانیزم های اساسی مربوط به جداسازی اولیه مایع را با جزئیات بی سابقه درک نموده و کمی سازی نماید...