حل عددی جریان داخلی و تعیین عوامل عملکردی انژکتورهای پیچشی مماسی انتها-باز و انتها-همگرا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

2 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

چکیده

انژکتورهای پیچشی مماسی انتها-باز و انتها-همگرا به صورت گسترده در موتورهای درونسوز مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع از انژکتورهای پیچشی فشاری شامل: ورودی­های مماسی، محفظه چرخش، بخش همگرا و اوریفیس خروجی هستند. در این مقاله شبیه‌سازی و مقایسه جریان سیال در داخل انژکتور انتها-باز و انتها-همگرا برای پاشش سوخت کروسین در شرایط عملیاتی یکسان با استفاده از روش حجم سیال (VOF) انجام شده است. نتایج شبیه‌سازی­های وابسته به زمان (ناپایا) نشان دادند، زمان خروج کروسین از انژکتور انتها-باز 1/8 میلی‌ثانیه و در انژکتور انتها-همگرا 4 میلی‌ثانیه است. نتایج شبیه‌سازی­های مستقل از زمان (پایا) در فشارهای تزریق مختلف نشان دادند، انژکتور انتها-باز در فشار تزریق MPa 0/05 به حالت پایدار می­رسد در حالی که انژکتور انتها-همگرا در فشار تزریق MPa 0/3 به حالت پایدار خود می­رسد. اما سرعت خروج کروسین در انژکتور انتها-باز به مراتب از انژکتور انتها-همگرا کمتر است که این امر، موجب کاهش نیروی ایرودینامیکی وارد شده به لایه سوخت خروجی از انژکتور شده و باعث کاهش اتمیزاسیون سوخت در انژکتور انتها-باز در مقایسه با انژکتور انتها-همگرا می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical solution of internal flow and determination of operating factors of open-end and converging-end tangential and swirl injectors

نویسندگان [English]

  • Javad Mansourizadeh 1
  • Ali Mirmohammadi 2
1 MSc Student, Mechanical Engineering Department, Shahid Rajaee Teacher Training University
2 Assistant Professor, Mechanical Engineering Department, Shahid Rajaee Teacher Training University
چکیده [English]

Convergent-end and Open-end injectors are widely used in internal combustion engines. These types of pressurized swirl injectors include: tangential inputs, rotation chamber, converging section and output orifice. In this paper, simulation and comparison of fluid flow inside Open-end and Convergent-end injectors for spraying kerosene fuel under the same operating conditions has been performed using the fluid volume (VOF) method. The results of time-dependent (unsteady) simulations showed that the exit time of kerosene from the Open-end injector is 1.8 milliseconds and in the Convergent-end injector is 4 milliseconds. The results of time-independent (steady) simulations at different injection pressures showed that the Open-end injector is stable at 0.05 MPa injection pressure, while the convergent-end injector is stable at 0.3 MPa injection pressure. However, the exit rate of kerosene in the Open-end injector is far less than that of the convergence-end injector, which reduces the aerodynamic force applied to the fuel inlet layer of the injector and reduces the fuel atomization in the Open-end injector compared to the convergent-end injector.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pressurized swirl injector
  • convergent-end injector
  • open-end injector
  • Simulation
  • VOF
  • Kerosene
[1] Arcoumanis, C., et al., Modeling of pressure-swirl atomizers for GDI engines. SAE transactions, p. 516-532, 1999.
[2] Lefebvre, A.H. and V.G. McDonell, Atomization and sprays. CRC press, 2017.
[3] Kang, Z., et al., Review on pressure swirl injector in liquid rocket engine.ActaAstronautica, 145: p. 174-198, 2018.
[4] Ommi, F., Space Rocket Propulsion & Engine. Best publisher, 2010, (in Persian)
[5] Taylor. The mechanics of swirl atomizer. In International congress Applied mechanics. 1948.
[6] Doumas, M. and R. Laster, Liquid-film properties for centrifugal spray nozzles. Chemical Engineering Progress, Vol 49: p. 518-526, 1953.
[7] Dumouchel, C., et al., Viscous flow in a swirl atomizer. Chemical Engineering Science, Vol. 48(1): p. 81-87, 1993.
[8] Dash, S., et al., Formation of air core in nozzles with tangential entry. Journal of fluids engineering, Vol. 123(4): p. 829-835,2001.
[9] Mandal, A., et al., Flow of power-law fluids in simplex atomizers. International journal of heat and fluid flow, Vol. 29(5): p. 1494-1503, 2008.
[10]Hosseinalipour, S.M., H. Karimaei, and F. Ommi, Design, Numerical Simulation and Experiment of a Swirl Injector with Tangential Inlets.fuel and combustion, 2014, (In Persian).
[11] Rostami, E., et al., Investigation of The Effect Of Liquid And Air Swirl Velocity And Liquid Viscosity On The Hollow Cone Spray Atomization. Annals of the University of Petrosani Mechanical Engineering, P.16-28, 2014.
[12] Fu, Q.-f., Numerical simulation of the internal flow of swirl atomizer under ambient pressure. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol.  230(15): p. 2650-2659, 2016.
[13] Razeghi, A., O.E. Nural, and Ö. Ertunç, Experimental and Numerical Investigation of Circumferential Distribution of Open-End Swirl Atomizer,  In 9th Ankara international aerospace conference, Metu, Ankara, 2018.
[14] Laurila, E., et al., Computational and experimental investigation of a swirl nozzle for viscous fluids. International Journal of Multiphase Flow, Vol. 128: p. 103278, 2020.
[15] Sun, Y., et al., Numerical Simulation and Experimental Study on Flow Field in a Swirl Nozzle. Shock and Vibration, P. 1-9, 2021.
[16] Yang, V., et al., Liquid rocket thrust chambers: aspects of modeling, analysis, and design. Progress in astronautics and aeronautics, 2004.
[17] Kim, H., et al., Spray characteristics of aluminized-gel fuels sprayed using pressure-swirl atomizer. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 249: p. 36-47, 2017.
[18] Amini, G., Liquid flow in asimplex nozzle. Internatioal Journal of Multiphase Flow, Vol. 79, P. 225-235, 2018.
[19] Lee, S.Y. and R. Tankin, Study of liquid spray (water) in a non-condensable environment (air). International journal of heat and mass transfer,  Vol. 27(3),  p. 351-361, 1984.
[20] Munson, B.R., et al., Fluid mechanics. Wiley Singapore, 2013.
[21] Yang, L.-j., et al., Spray characteristics of gelled propellants in swirl injectors. Fuel, Vol. 97: p. 253-261, 2012.