A multi-dimensioanl model is being increasingly used to predict the thermo-flow field in the gas turbine combustor. This article addresses an integrated survey of modeling of the liquid spray formation and fuel distribution in gas turbine with high-shear nozzle/swirler assembly. The processes of concern include breakup of a liquid jet injected through a hole type orifice into air stream, spray-wall interaction and spray-film interaction, breakup of liquid sheet into ligaments and droplet,5, and secondary droplet breakup. Atomization of liquid through hole nozzle is described using a liquid blobs model and hybrid model of Kelvin-Helmholtz wave and Rayleigh-Taylor wave. The high-speed viscous liquid sheet atomization on the pre-filmer is modeled by a linear stability analysis. Spray-wall interaction model and liquid film model over the wall surface are also considered.
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.
This study describes the external spray characteristics of deflector nozzle such as the breakup procedures of liquid sheet, spray angle, breakup length and bubble behaviors of spray at deflector nozzle. In order to visualize the spray behaviors shadow graphy technique were used. According to the increase injection pressure, deveopment of the spray passes through the dribbling, distoted jet, closed bubble due to the contraction by form a conical sheet like as the simplex swirl atomizer. As trying the analysis of the ratio of bubble length and width it was found that the ratios is comparable. Spray cone angle was nearly $90^{\circ}$.
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.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.13
no.6
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pp.187-194
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2005
The objective of this study is to validate the hybrid breakup model and the vaporization model for GDI spray analysis at vaporization and non-vaporization conditions. The atomization process is modeled by using hybrid breakup model that is composed of Linearized Instability Sheet Atomization (LISA) model and Aerodynamically Progressed Taylor Analogy Breakup (APTAB) model. The vaporization process is modeled by using modified Abramzon & Sirignano model. The exciplex fluorescence method was used for comparing the calculated results with the experimental ones. The experiment and the calculation were performed at the ambient pressures of 0.1 MPa, 0.5 MPa and 1.0 MPa and the ambient temperature of 293K and 473K.
A study has been carried out on the instability of a conical liquid sheet by using the linear instability theory. Various analytical methods using the Kelvin-Helmholtz instability theory were tried to examine the wave growth on cylindrical liquid sheets. Cylinderical liquid sheets were extended to the case with the conical sheets. Perturbations due to tangential motion as well as longitudinal one were taken into account. And it was assumed the the breakup occurs when amplitude ratio exceeds exp(12), drop sizes were predicted only by theoretical approach. The predicted drop size agreed well with the measured Sauter mean diameter, $D_{32}$.
The breakup behaviors of impinging droplet on a hot surface are studied experimentally. The droplets are produced by the dripping method and the breakup behaviors of liquid droplet are recorded by photographs. Experimental conditions are, droplet diameter di : 2.5, 3.2 [mm], weber number : $30{\sim}140$, surface temperature : $28^{\circ}C(room\;temperature){\sim}450^{\circ}C$. Water is used to liquid. As weber number of droplet increases, a liquid sheet, which is formed after the impingement on a hot surface, is disintergrated by the dynamical effect. But at low weber number, it has effected by thermodynamical effect. The breakup behaviors of droplet are divided into three patterns with weber number and surface temperature, non-disintegration, transition and disintegration region. Further, these boundary values are affected by the hot surface temperature and weber number. SMD of breakup droplets are calculated in according to surface temperatures and weber number. The minium SMD of breakup droplets are observed at weber number 65.49, temperature $250^{\circ}C$ and weber number 99.08, temperature $350^{\circ}C$.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.3
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pp.204-211
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2019
The analysis on two-phase flow in a Lean Direct Injection(LDI) combustor has been investigated. Linearized Instability Sheet Atomization(LISA) and Aerodynamically Progressed Taylor Analogy Breakup(APTAB) breakup models are applied to simulate the droplet breakup process in hollow-cone spray. Breakup model is validated by comparing penetration length and Sauter Mean Diameter(SMD) of the experiment and simulation. In the LDI combustor, Precessing Vortex Core(PVC) is developed by swirling flow and most droplets are atomized along the PVC. It has been confirmed that all droplets have Stokes number less than 1.0.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.05a
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pp.156-160
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2006
This study investigated the characteristics of spray generated by a liquid-liquid co-axial swirl injector used in a combustor of the liquid rocket engine. The linear stability analysis[1] was introduced In liquid sheet breakup and Post[2]'s collision model which considers shattering was adopted on the collision model after breakup. Every model was implemented to KIVA[3], which was adopted as solve. To validate the implemented models the cases of high and low injection velocity were calculated respectively and each result agreed well with test results.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.5
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pp.37-50
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2007
This study investigated the characteristics of spray generated by a liquid coaxial swirl injector used in a combustor of the liquid rocket engine. The linear stability analysis considered long and short wave was introduced in liquid sheet breakup. Through the hydrodynamic analysis the initial liquid sheet thickness spray angle and injection velocity were predicted. To evaluate the effect of turbulence model standard $k-{\varepsilon}$ and RNC $k-{\varepsilon}$ model were applied to numerical calculation and it was known that RNC $k-{\varepsilon}$ model was more applicable to predict spray characteristics. On the basis of this evaluation validation of the developed model was performed with swirl injector installed in LPRE and the predicted results of breakup length, spray angle, and SMD agreed well with experiments qualitatively and quantitatively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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