Multiphase Modelling of Liquid Atomisation using VoF-LES in an Internal Mixing Twin-Fluid Swirl Nozzle

Nielsen, Mads Andreas ; Olesen, Mathias Bennedsgaard

4. term

Energy Engineering, Master

2024

2024-05-31

58

Tovæskedyser bruges til at forstøve væsker i blandt andet brændstofindsprøjtning, spraymaling og gaskøling. I denne undersøgelse er en internblandet tovæske-hvirvel-dyse undersøgt numerisk ved hjælp af beregningsmæssig fluiddynamik (CFD). Luft og vand blev brugt som arbejdsvæsker ved relativt lave Reynolds-tal (1980–5650). Vi anvendte storhvirvel-simulering (LES) sammen med volumen-af-væske-metoden (VOF), som opløser de største turbulente bevægelser og følger grænsefladen mellem luft og vand, for at modellere, hvordan væsken brydes op i dråber. Vi sammenlignede den forudsagte dråbestørrelse, udtrykt som Sauter middel diameter (SMD, et standard overfladevægtet mål for gennemsnitlig dråbestørrelse), med forsøg og fandt en afvigelse på 16,9 %. En 20 % stigning i gas-til-væske masseflowforholdet (GLR) reducerede SMD med 2,8 %, hvilket betyder, at mere gas i forhold til væske gav lidt mindre dråber. Spraysymmetrien blev vurderet ud fra tidsmidlede vandvolumenfraktioner og viste en asymmetrisk spray nedstrøms for dysen. For at undersøge geometriens betydning ændrede vi indløbsrørenes hældningsvinkel: sammenlignet med basisvinklen på 27,5° reducerede 0° SMD med 11,9 %, mens 55° øgede SMD med ca. 8,3 %. Spraysymmetrien var let forbedret ved 0° og 55° i forhold til 27,5°. Resultaterne viser, hvordan driftsbetingelser og indløbsgeometri påvirker dråbestørrelse og sprayform i denne type dyse.

Twin-fluid nozzles are used to atomize liquids in applications such as fuel injection, spray painting, and gas cooling. This study numerically investigates an internal-mixing twin-fluid swirl nozzle using computational fluid dynamics (CFD). Air and water served as working fluids at relatively low Reynolds numbers (1980–5650). We applied large eddy simulation (LES) together with the volume of fluid (VOF) method, which resolves the larger turbulent motions and tracks the air–water interface, to model how the liquid breaks up into droplets. We compared the predicted droplet size, expressed as the Sauter Mean Diameter (SMD, a standard surface-area-weighted measure of average droplet size), with experiments and found a 16.9% deviation. Increasing the gas-to-liquid mass flow ratio (GLR) by 20% reduced SMD by 2.8%, meaning more gas relative to liquid produced slightly smaller droplets. Spray symmetry was assessed using time-averaged water volume fractions and showed an asymmetric spray downstream of the nozzle. To study geometric effects, we varied the inclination angle of the inlet pipes: compared with the baseline angle of 27.5°, an angle of 0° reduced SMD by 11.9%, while 55° increased SMD by about 8.3%. Spray symmetry was slightly improved at 0° and 55° compared with 27.5°. These results clarify how operating conditions and inlet geometry influence droplet size and spray shape in this type of nozzle.

[This summary has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]

CFD ; VoF ; GLR ; LES ; Atomisation ; Spray symmetry ; Multiphase modelling ; Twin-fluid nozzle

Download
View record in AAU Student Projects