سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

ارزیابی فرض عدد لوئیس واحد در مدلسازی رفتار تبخیری قطرات آب و سوخت

نویسندگان
امیر امیدوار
رضا مهریار
امیرحسین مهدوی
دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شیراز،شیراز،ایران
چکیده
در بسیاری از فرایندهای مهندسی و صنعتی، استفاده از افشانه ها کاربرد فراوانی دارد. در این راستا بررسی رفتار تبخیری قطرات افشانه از اهمیت بسزایی برخوردار است. یکی از فرضهایی که در مدلسازی رفتار تبخیری قطرات افشانه مورد استفاده قرار می گیرد، فرض عدد لوئیس واحد است، که در این تحقیق صحت این فرض بررسی و ارزیابی شده است. بدین منظور، معادلات انتقال جرم و انرژی برای یک تک قطره محاسبه شده اند. در این راستا، یک قطره سوخت (هپتان نرمال) و یک قطره آب در فشار و دمای مختلف مطالعه شده اند. به منظور اطمینان از صحت محاسبات، نتایج با داده های آزمایشگاهی و عددی گزارش شده در مقالات مقایسه شده و هماهنگی خوبی بین نتایج مشاهده شد. زمان تبخیر و دمای نهایی قطره، یک بار با درنظرگرفتن فرض لوئیس واحد و یک بار بدون درنظرگرفتن این فرض، برای سوخت مذکور و آب مقایسه شده اند. با توجه به نتایج حاصل به نظر می رسد فرض لوئیس واحد، فرض مناسبی برای مطالعه رفتار تبخیری سوخت ها نیست. اما، برخلاف سوخت ها، نتایج حاصل از اعمال فرض لوئیس واحد برای قطره آب، در مقایسه با حالتی که این فرض اعمال نشده است، مطابقت خوبی دارد. در این حالت دمای نهایی قطره آب به دمای حباب تر هوا نزدیک تر است.

تازه های تحقیق

همواره در مدلسازی تبخیر قطرات افشانه فرضیات ساده­کننده­ای استفاده می­شود که شناسایی آن­ها می­تواند در بهبود عملکرد مدل­ها به­شدت اثرگذار باشد. یکی از این فرضیات، فرض تبخیر تعادلی یا همان فرض واحدبودن عدد لوئیس قطره است که لازم است صحت یا عدم صحت این فرض بررسی شود. در این مقاله یک کد صفربعدی برای ارزیابی صحت فرض لوئیس واحد در مطالعات مربوط به رفتار تبخیر قطره­ سوخت و آب توسعه یافته است. به­منظور اطمینان از صحت کد مورد نظر، نتایج کد مذکور با برخی داده­های تجربی و عددی گزارش­شده توسط پژوهشگران دیگر در شرایط مشابه مقایسه شد و هماهنگی قابل قبولی مشاهده شد.

فرض تبخیر تعادلی یا همان فرض عدد لوئیس واحد در مدلسازی­های اولیه برای جریان افشانه استفاده می­شد. این فرض همچنان در برخی از مدلسازی­های افشانه سوخت استفاده می­شود. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که فرض عدد لوئیس واحد، برای مطالعه­ رفتار تبخیری سوخت­ها، فرض مناسبی نیست و خطای این فرض در محاسبه­ زمان تبخیر به 60 درصد نیز می­رسد. بررسی­ها نشان داد که خطای ناشی از این فرض با بالارفتن فشار محفظه احتراق تا حدودی کاهش خواهد یافت، ولی حتی در فشارهای بالا نیز مقادیر خطا قابل چشم­پوشی نیست.

نتایج نشان داد که اعمال فرض عدد لوئیس واحد، برای مطالعه­ رفتار تبخیری قطره آب، نتایج قابل قبولی به همراه دارد؛ به­طوری که بیشترین خطای ایجادشده برای زمان تبخیر 7 درصد است. با اعمال این فرض، دمای نهایی قطره به دمای حباب تر هوا نزدیک­تر است. خطای ایجادشده برای قطره­ آب، در دو حالت اعمال فرض لوئیس واحد و بدون اعمال این فرض، به­دلیل محدودیت دمایی رابطه نفوذ جرمی برای آب است و با اصلاح رابطه مذکور این خطا کاهش می­یابد.

 

کلیدواژه‌ها
قطره
تبخیر
عدد لوئیس

عنوان مقاله English

Evaluation of Unity Lewis Number Assumption in Modeling of Water and Fuel Droplets Evaporation

نویسندگان English

Amir Omidvar
Reza Mehryar
Amir Hossein Mahdavi
Faculty of Mechanical Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
چکیده English

Over the recent decades, spray systems have been widely utilized in a variety of applications within the areas of engineering. In this regard, studying the evaporative behavior of droplets in spray can give us a good view point. One of the most common assumptions in dropletsandrsquo; evaporation is to consider the Lewis number to be unity. In this paper the correctness of this assumption has been evaluated for water and n-Heptane single droplets. The results for dropletsandrsquo; evaporation trend have been compared with some relevant experimental and numerical data. Evaporation time and dropletsandrsquo; temperature have been investigated in both conditions. According to obtained results, although the unit Lewis number is not a good assumption for studying n-Heptane droplet evaporation, this assumption gives acceptable results for predicting the water droplets evaporation. Moreover, by assuming the unity Lewis number for water droplet, the calculated temperature of the droplet is close to wet bulb temperature of air.

کلیدواژه‌ها English

Droplet
evaporation
Lewis number
1.     C. Baumgurten, Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Springer, Berlin, Germany,  2005.
2.     H. Nomura, Y. Ujiie, H. J. Rath, J. Sato and M. Kono, “Experimental Study on High-Pressure Droplet Evaporation using Microgravity Conditions,” 26th Symposium (International) on Combustion/ The Combustion Institute, 1996, pp. 1267-1273.
3.     C. Gokalp, J. Chauveau, R. Richard, M. Kramer and W. Leuckel, “Observation on the Low Twmperature Vaporization and Envelope or Wake Flame Burning of n-Heptane Droplets at Reduced Gravity during Parabolic Flight,” 22th Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, 1988, pp. 2027-2035.
4.     S. S. Sazhin, W. A. Abdelghaffar, E. M. Sazhina and M. R. Heikal, “Models for Droplet Transient Heating: Effects on Droplet Evaporation, Ignition, and Break-up,” International Journal of Thermal Science, 44, 2005, pp. 610-622.
5.     B. Abramzon and W. A. Sirignano, “Droplet Vaporization Model for Spray Combustion Calculations,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 32, 1989, pp. 1605-1618.
6.     G. F. Yao, S. I. Adel-Khalif and S. M. Ghiaasiaan, “An Investigation of Simle Evaporation Models used in Spray Simulation,” ASME, Journal of Heat Transfer, 125, 2003, pp. 179-182.
7.     A. Collin, P. Boulet, G. Parent, M. R. Vetrano and J. M. Buchlin, “Dynamic and Thermal Behaviour of Water Sprays,” International Journal of Thermal Sciences, 47, 2008, pp. 399-407.
8.     S. C. kim and H. S. Ryou, “An Experimental and Numerical Study on Fire Suppression using a Water Mist in an Enclosure,” Buildng and Environment, 38, 2003, pp. 1309-1316.
9.     T. Yoshida and T. Hyodo, “Evaporation of Water in Air, Humid Air and Superheated Steam,” Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development, 9, No. 2, 1970, pp. 207-214.
10.  K. Shirai, S. Matsui and A. Shinjo, “On the Temperature Change of Sprayed Water Drops Ι: Theoretical Study,” Transaction of the Japanese Society of Irregation, Drainage and Reclammation  Engineering, 35, 1971, pp. 24-29.
11.  K. Shirai, S. Matsui and A. Shinjo, “On the Temperature Change of Sprayed Water Drops ΙΙ: Experimental Study,” Transaction of the Japanese Society of Irregation, Drainage and Reclammation  Engineering, 35, 1971, pp. 30-35.
12.  Y. F. Li and W. K. Chow, “Study of Water Droplet Behavior in Hot Air Layer in Fire Extinguishment, Fire Technology,” Fire Technology, 44, 2008, pp. 351-381.
13.  L. Di-pin and C. Zu-ming, “Numerical Simulation of Water Mist Fire Suppression Technology,” Procedia Engineering, 11, 2011, pp. 205-209.
14.  L. Zheng and W. Quan, “Experimental Study of Explosive Water Mist Extinguishing Fire,” Procedia Engineering, 11, 2011, pp. 258-267.
15.  R. B. Montgomery, “Viscosity and Thermal Conductivity of Air and diffusivity of Water Vapor in Air,” Journal of Meteorology, 4, 1947, pp. 193-197.
16.  A. C. S. Baptista da Silvia, J. A. Bellini da Cunha Neto, and R. Lamberts, “Computer Simulation of Evaporative Cooling of Buildings by Water Spray Vaporization,” Ninth International IBPSA Conference, Montreal, Canada, 2005.
17.  E. K. Shashank, and H. Pitsch, “Spray Evaporation Model Sensetivities,” Center for Turbulence Research, Annual Research Briefes, Stanford University, USA, No. 20, 2011, pp. 2013-2024.