유체의 고압유동은 여러 산업현장에 활용되고, 특히 그 중 내연기관의 연료분사 인젝터가 대표적이며 디젤엔진의 커먼레일 시스템의 경우 1000bar 이상의 압력이 사용된다. 이와 같이 고속으로 분출되는 유체유동의 경우, 노즐을 통해 분사되는 고속의 유체는 주위기체와의 상호작용으로 분열과정을 거치게 된다. 이 분열과정은 연소실 혼합기형성기과정에 영향을 주게 되며, 그 결과 엔진의 연소상태에 까지 영향을 미치게 된다. 따라서 연료분무의 분열과정에 대한 해석은 중요하며, 본 연구에서는 연료분무의 분열을 위한 수치해석 서브모델로 Reitz&Diwakar 및 CAB(Cascade atomization and breakup)모델을 사용하였다. 본 연구의 목적은 분사된 분무의 분열과정의 정확한 해석이며, 분사연료의 분열발생 형태의 빈도 등을 조사하였다. 결과로서 본 연구는 상용 CFD 프로그램(CFX)을 이용하여 디젤분무의 분열과정해석을 위한 적합한 분열모델을 제안한다.
In this study, numerical and experimental analysis on the spray atomization characteristics of a GDI injector is performed. For numerical approach, four hybrid models that are composed of primary and secondary breakup model are considered. Concerning the primary breakup, a conical sheet disintegration model and LISA model are used. The secondary breakup models are made based on the DDB model and RT model. The global spray behavior is also visualized by the shadowgraph technique and local Sauter mean diameter and axial mean velocity are measured by using phase Doppler particle analyzer Based on the comparison of numerical and experimental results, it is shown that good agreement is obtained in terms of spray developing process and spray tip penetration at the all hybrid models. However, the hybrid breakup models show different prediction of accuracy in the cases of local SMD and the spatial distribution of breakup.
난류 유동장으로 분사되는 두가지 형태의 액체 제트 (수평분사는 디젤연료와 수직분사는 물)의 액주 분열과 미립화 현상에 관한 이상(Two-phase) 유동에 대해 3차원 LES 수치해석을 수행하였다. 기체상태의 공기 유동은 오일러리안 해법을 사용하고, 액체 제트의 액적 추적은 라그랑지안 해법을 사용하여 기체-액체간 이상유동 해석을 수행하였다. 두 종류의 확률론적 분열 모델(Stochastic breakup model)을 사용하여 액적 분열을 모사하였으며, 액체제트의 침투깊이와 액적 분포(Sauter Mean Diameter)를 실험결과와 비교하여 미세하게 분열되는 액체 제트의 분열 현상에 대해 확률론적 분열 모델링의 적합성을 제시하였다.
It is important to understand the fuel injection characteristics, particularly the atomization, penetration, and breakup, for reducing the emissions in Diesel engines because those characteristics are related to the formation of the emissions. 3-dimensional CFD code can provide a fundamental understanding of those characteristics. In this study, two different breakup models (the Reitz-Diwakar model and the Kelvin-Helmholts Rayleigh Taylor model) were validated with the experimental data in a constant volume vessel. Then, the effect of the breakup model on the characteristics of the engine combustion and emission was studied.
본 연구에서는 상압환경에 적용되었던 액막 분열 모델을 고압환경에 적용하였다. 실험에서 주위압이 고압으로 진행할수록 액막의 분열길이는 짧아지는데 개발된 액막 분열 모델은 이러한 경향을 잘 예측하는 것으로 나타났으며 분무 형상도 정성적으로 실험결과와 일치하는 것으로 나타났다.
A unique feature of fluidic atomizers is that the nozzle geometry produces a thin capillary Jet which is forced to oscillate on a 2-dimensional plane through the use of a passive feedback mechanism. The objective of the current work is to characterize the influence of the stagnation pressure at the nozzle exit, jet oscillation and stretching on the breakup properties of the capillary ligament. To achieve this, shadow graph technique is used to measure size, shape, velocity and the number density of the droplets as a function of the position within the spray fan. The breakup length, defined as the radial distance from the breakup point, is analyzed as a function of the non-dimensional parameters. Finally, a kinematic model is developed to simulate the breakup of the oscillating jets at low stagnation pressures. Using the existing jet breakup theories, the model is used to predict the size and diameter distribution of the droplets after primary atomization.
A hybrid model consisting of a modified TAB (Taylor Analogy Breakup) model and DVM (Discrete Vortex Method) is proposed for numerical analysis of the evaporating spray phenomena in diesel engines. The simulation process of the hybrid model is divided into three steps. First, the droplet breakup of injected fuel is analyzed by using the modified TAB model. Second, spray evaporation is calculated based on the theory of Siebers'liquid length. The liquid length analysis of injected fuel is used to integrate the modified TAB model and DVM. Lastly, both ambient gas flow and inner vortex flow of injected fuel are analyzed by using DVM. An experiment with an evaporative free spray at the early stage of its injection was conducted under in-cylinder like conditions to examine an accuracy of the present hybrid model. The calculated results of the gas jet flow by DVM agree well with the experimental results. The calculated and experimental results all confirm that the ambient gas flow dominates the downstream diesel spray flow.
Three dimensional numerical study of non-evaporating and evaporating spray characteristics was performed in a quiescent and motoring condition of direct injection diesel engine. The calculation parameter was breakup model. The breakup models used were Reitz & Diwakar model and TAB model. The modified k-${\varepsilon}$ turbulence model considering the compressibility effect due to the compression and expansion of piston was used. The calculation results of the spray tip penetration and tip velocity using the TAB model showed similar trends comparing with the experimental data. Although the evaporation rate was not nearly affected with the breakup model at the higher injection pressure, in the low injection case, the evaporation rate result using the TAB model became higher than that of R&D model. The evaporation rate was increased with the injection pressure due to the vigorous interaction with the gas field.
In a severe accident of light water reactor (LWR), molten core material (corium) can be released into the wet cavity, and a fuel-coolant interaction (FCI) can occur. The molten jet with high speed is broken and fragmented into small debris, which may cause a steam explosion or a molten core concrete interaction (MCCI). Since the premixing stage where the jet breakup occurs has a large impact on the severe accident progression, the understanding and evaluation of the jet breakup phenomenon are highly important. Therefore, in this study, the jet breakup simulations were performed using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method which is a particle-based Lagrangian numerical method. For the multi-fluid system, the normalized density approach and improved surface tension model (CSF) were applied to the in-house SPH code (single GPU-based SOPHIA code) to improve the calculation accuracy at the interface of fluids. The jet breakup simulations were conducted in two cases: (1) jet breakup without structures, and (2) jet breakup with structures (control rod guide tubes). The penetration depth of the jet and jet breakup length were compared with those of the reference experiments, and these SPH simulation results are qualitatively and quantitatively consistent with the experiments.
An experimental and numerical study was performed to investigate the macroscopic and microscopic atomization characteristics of high-speed diesel spray issued from the common-rail injection system. For the experiments, spray visualization system and a phase Doppler particle analyzer system were utilized to obtain the spray atomization characteristics such as the process of spray development, spray tip penetration, and SMD distribution. In order to analyze the process of spray atomization with KIVA-3 code, the TAB breakup model is changed to the KH-DDB competition model, which assumes the competition between the wave instability and droplet deformation causes the droplet breakup above the breakup length. The calculated results were also compared with the experiments in terms of spray tip penetration and SMD distribution. The results provide the process of spray development, axial and radial distribution of SMD, and calculated overall SMD as a function of time after start of injection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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