شبیه سازی عددی تبخیر قطره در جریان اسپری در محیط آشفته

اسپری در اکثر فرایندهای متنوع و مهم صنعتی از قبیل احتراق در محفظه احتراق توربینهای گازی و یا در موتورهای احتراق داخلی، خشک کننده ها، سرمایش به کمک تبخیر اسپری، تمیز کننده های سطح اجسام، چاپگرهای جوهر افشان و نظایر آن کاربرد دارد. با توجه به آنچه بیان شد روشن می شود که دامنه کاربرد اسپری ها به جنبه های خاصی از زندگی یا صنعت محدود نشده و در شاخه های متفاوتی از قبیل صنایع اتومبیل سازی، هوا فضا، متالورژی، مواد، صنایع شیمیایی، کاغذ سازی، صنایع غذایی، کشاورزی، هواشناسی و فرایندهای تولید توان و نیرو کاربرد چشمگیری دارد. در میان کاربردهای وسیع ذکر شده، اسپری های احتراقی یکی از مهمترین کاربردهای اسپری محسوب می شوند. پدیده احتراق در موتورهای دیزل به کمک اسپری کنترل می شود. در موتورهای دیزل عموماً اتمیزه شدن سوخت توسط تزریق آن به داخل محفظه احتراق که حاوی هوای متراکم است انجام می شود. اتمیزه شدن سوخت باعث افزایش سطح موثر سوخت تزریقی می شود و به تبع آن انتقال جرم، ممنتوم و انرژی بین دو فاز افزایش می یابد. نحوه اتمیزاسیون سوخت و رفتار اسپری مستقیماً بر پدیده اختلاط سوخت و هوا و به تبع آن بر راندمان موتور و میزان آلاینده های موجود در گازهای خروجی تأثیر می گذارد. بنابراین شناخت رفتار اسپری از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در سالهای اخیر به بررسی رفتار اسپری ها به صورت تجربی و یا با استفاده از مدلهای ریاضی و حل های عددی توجه بیشتری شده است. بررسی های تجربی اغلب هزینه های سنگینی را در بر دارد، از سوی دیگر برخی از پارامترهای موثر در رفتار اسپری به راحتی قابل اندازه گیری نیست. لذا این امر نقش و اهمیت مدلهای ریاضی و روشهای حل عددی را در بررسی رفتار جریانهای اسپری پررنگ تر می کند. جریان اسپری نوعی جریان دو فازی محسوب می شود. معمولاً مدلسازی جریانهای دو فازی به علت مشکلات مدلسازی رفتار فصل مشترک دو فاز و بد رفتاری معادلات دیفرانسیل حاکم بر اینگونه جریانها با مشکلات زیادی همراه است. اما جریانهای اسپری از جمله جریانهای دو فازی مغشوش هستند و اغتشاش نقش موثری بر رفتار آنها دارد. از سوی دیگر مدلسازی جریانهای مغشوش نیز با دردسرهای فراوانی همراه است. اندرکنش بین توربولانس و قطرات مایع به روشهای مختلفی اتفاق می افتد. فیس این اندرکنش را به 3 گروه طبقه بندی می کند: 1. پخش قطرات به وسیله توربولانس 2. تغییر پارامترهای توربولانس با حرکت قطرات 3. تغییر سرعت های انتقال جرم وانرژی بر اثر نوسانات توربولانس دو موضوع اول خارج از بحث این پایان نامه هستند ولی در خصوص تغییر سرعتهای انتقال، آزمایشات و مطالعات عددی محدودی انجام شده است زیرا از نقطه نظر تجربی تولید جریانهای آشفته با شدت توربولانس بالا برای سیستم های احتراقی اسپری مشکل است. همچنین مقیاس طولی انتگرالی توربولانس باید از اندازه قطره کوچکتر باشد. نتایج این آزمایشات نشان می دهد که با افزایش شدت توربولانس، میزان انتقال جرم و انرژی افزایش می یابد و همچنین وقتی که اندازه قطره کوچکتر از مقیاس انتگرالی توربولانس، اثرات توربولانس نادیده گرفته می شود. بنابراین شدت توربولانس مهمترین فاکتوری است که سرعت انتقال را تحت تاثیر قرار می دهد و مقیاس انتگرالی توربولانس نقش دوم را بازی می کند. نتایج مطالعات ما نیز به دیدگاه مقیاس زمانی توربولانس و مقیاس طولی انتگرالی توربولانس تقسیم بندی می شود.