This paper describes the effects of spray breakup model constants on spray and combustion characteristics in single cylinder compression engine. KIVA-3V code coupled with a CHEMKIN chemistry solver was used for numerical analysis. In this study, spray simulations and combustion simulations are studied simultaneously. Spray simulation was conducted in constant volume to reduce the effects of air-flow as swirl or tumble. The model validation was conducted and there are little difference between experiments and simulation, this differences were reasonable. In spray simulation, the effects of model constants on spray tip penetration, spray patter and SMD were studied. Furthermore, the analysis of effects of breakup variables on combustion and emissions characteristics was conducted. The results show the KH-RT breakup model constants affects spray and combustion characteristics strongly. Increasing KH model variable (B1) and RT model constants ($C_{\tau}$, $C_{RT}$) induced slower breakup time.
The breakup characteristics of liquid sheets formed by like-doublet injector were investigated in the cold-flow and atmospheric ambient pressure condition. The sheet breakup wavelength, which induces the sheet to be broken into ligaments, as well as the sheet breakup length, which is important for the flame location, was measured using a stroboscopic light. The liquid ligaments are formed intermittently after the breakup of sheet, and the wavelength of ligaments has been believed to have a relation to the combustion instability of liquid rocket engine. Therefore, the wavelength of ligaments and the breakup length of ligaments into fine drops were also measured. Since these spray characteristics are affected by the flow characteristics of two liquid jets before they impinge on each other, we focused on the effects of orifice internal flow such as the cavitation phenomenon that occurs inside the sharp-edged orifice. From the experimental results, we found that the liquid jet turbulence delays the sheet breakup and makes shorter wavelengths for both sheets and ligaments. Since the turbulent strength of sharp-edged orifice is stronger than that of round-edged orifice, the shape of orifice entrance results in large differences in the spray characteristics. Using these results, we proposed empirical models on the spray characteristics of the like-doublet injector, and these models are believed to provide some useful and actual data for designing liquid rocket combustors.
An aerodynamically progressed model, which is called APTAB model. has been proposed for more accurate prediction of the deformation and breakup of a spray. Especially, the effects of the droplet deformation on the droplet aerodynamic external force are considered in this model, which was neglected in TAB model. It is found that the predicted droplet deformation using APTAB model shows better agreement with experimental data than those of other models for the droplets in both bag-type and shear-type breakup regimes. A new breakup criterion has been proposed to predict more reasonable breakup quantities, such as breakup deformation length, time and so on; i.e., it is defined that the breakup occurs when the internal liquid phase pressure of the deformed droplet at the equator is greater than that of the pole. The proposed breakup criterion shows more physical relationship between the degree of droplet deformation at breakup and the corresponding breakup Weber number as compared with the results with TAB and DDB models. Therefore, it provides better predictions of the experimental data than TAB and DDB models for the droplet deformation and time in both bag-type and shear-type breakup regimes.
When the reactor vessel is penetrated in a severe accident of light water reactor, the molten fuel-coolant interaction including the jet breakup occurs and the jet breakup length becomes one of the important parameters. Most numerical studies on jet breakup process have been carried out using dedicated computer codes. Some researchers are trying to apply commercial CFD codes to their investigations on comprehensive jet breakup process. However, the complexity of the phenomena limits the CFD application only to hydrodynamic aspects. In the present study, numerical analysis of jet breakup under vapor generation is pursued using the STAR-CCM + code. The obtained CFD prediction of the MATE09 experiment shows jet breakup progression patterns consistent to the images taken in the experiment. Further, the predicted positions of leading head, which determine the jet breakup length, are in good agreement with the MATE 09 data. The investigation of hydrodynamic effects on the jet breakup with higher jet velocity results in a stronger shear force and earlier jet breakup process even though there exists the vapor pocket around the corium jet. In future studies, the effect of vapor intensity on the jet breakup length would be investigated further by changing other parameters.
The present article deals with comparisons of published liquid breakup models for diesel sprays to analyze the influence of breakup models on various spray parameters. The three different models tested in this study are the surface wave instability (Wave) model, the Taylor analogy breakup (TAB) model, and the drop drag model(DDM). The numerical results using these models are compared with several experimental data to assess the prediction capabilities of breakup models. Additional task in this study is to investigate effects of the breakup time constant in the Wave model on the spray parameters because the spray behavior is sensitive to the breakup time constant. It is seen that there is uncertainly about the breakup time constant indicating that the suitable acceptance of the constant is important, and the TAB model generally shows significant under-prediction of Sauter Mean Diameter(SMD). In addition, it may be indicated that differences between the DDM and Wave model are not significant, showing that the DDM may be suitable for air-assisted atomization rather than pressure atomization.
The aim of this article is to perform the numerical simulation far drop drag and breakup processes in air-assisted sprays using the Taylor analogy breakup (TAB) model with a modified drop drag model, in which a random method is newly used to consider the variation of the drop's frontal area. The predicted results for drop trajectory and Salter mean diameter (SMD) were compared with experimental data and the simulation results using the earlier published models such as TAH model, surface wave instability (Wave) model, and Wave model with original drop drag model. In addition, the effects of the breakup model constant, Ck, on prediction of spray behaviors were discussed. The results shows that the TAB model with the modified drop drag model is in better agreement with experimental data than the other models, indicating the present model is acceptable for predicting the drop breakup process in air-assisted sprays. At higher Weber numbers, the smaller Ck shows the best fitting to experimental data. It should be noted that more elaborated studies is required in order to determine the breakup model constant in the suggested model in the study.
The effect of ambient gas (steam) condensation on swirl spray characteristics were studied experimentally for low subcooling condition of the liquid. The configuration of the liquid(water) sheet and the breakup modes were examined. Also variation of the discharge coefficient, breakup length, local and the cross-sectional area-averaged SMD of droplets with the liquid flow(injection) rate were obtained. The perforation breakup mode appears dominant with condensation while the aerodynamic wave breakup mode is dominant without condensation(in the air environment). The discharge coefficient, breakup length and the mean drop sizes decrease in a same manner with increasing of the liquid flow rate for both cases(with and without condensation). The condensation effects are insignificant with the discharge coefficient. However, the local and cross-sectional area-averaged SMD are larger and the breakup length becomes shorter in the steam environment. The spray angle predicted from the volumetric flux distribution along the radial direction of the sprays in the steam environment becomes larger with condensation.
Many researches on pressure-swirl injectors due to the variety of application have been conducted on the effects of nozzle design, operating conditions, properties of liquid and ambient conditions on the flow and spray characteristics. The breakup length of conical emulsified fuel sheet resulting from pressure-swirl atomizer using in the oil burner was investigated with the digital image processing method with neat light oil and emulsion with water content of lotto% and the surfactant content of 1-3%. The injection pressure ranged from 0.1 to 1.2 MPa was selected. The various regimes for the stage of spray development within the experimental conditions selected in this study is newly suggested in terms of Ohnesorge number and injection pressure. The breakup length for both criteria show the same tendency even though the random nature of perforation and disintegration process of liquid sheet. The stage of spray development is widely different with the physical properties of liquid atomized, mainly viscosity of liquid. The breakup length decreases smoothly with increase in the injection pressure for the lower viscous liquid.
Park, Sang-Min;Heo, Tae-Young;Park, Jun-Gyu;Jun, Hang-Bae
Environmental Engineering Research
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제21권4호
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pp.365-372
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2016
The effects of hydrodynamics and alum dose on particle growth were investigated by monitoring particle counts in a rapid mixing process. Experiments were performed to measure the particle growth and breakup under various conditions. The rapid mixing scheme consisted of the following operating parameters: Velocity gradient (G) ($200-300s^{-1}$), alum dose (10-50 mg/L) and mixing time (30-180 s). The Poisson regression model was applied to assess the effects of the doses and velocity gradient with mixing time. The mechanism for the growth and breakup of particles was elucidated. An increase in alum dose was found to accelerate the particle count reduction. The particle count at a G value of $200s^{-1}$ decreased more rapidly than those at $300s^{-1}$. The growth and breakup of larger particles were more clearly observed at higher alum doses. Variations of particles due to aggregation and breakup of micro-flocs in rapid mixing step were interactively affected by G, mixing time and alum dose. Micro-flocculation played an important role in a rapid mixing process.
A number of droplet breakup models have been developed to predict the diesel spray. The capabilities of droplet deformation and breakup models such as TAB, ETAB, DDB and APTAB models are evaluated in modeling the non-evaporating diesel sprays injected into atmosphere. New methods are also suggested that take into account the non- spherical shape of droplets and the reduced drag force by the presence of neighbouring droplets. The KIVA calculations with standard ETAB, DDB, and APTAB models predict well the spray tip penetrations of the experiment, but overestimate the Sauter mean Diameter(SMD) of droplets. The calculation with non spherical droplets injected from the nozzle shows very similar results to the calculation with spherical droplets. The drag coefficient which is linearly increased with the time after start of injection during the breakup time gives the smaller SMD that agrees well with the experimental result.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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