Microscopic Test of a Swirl Injector by High-speed Photography

Karimaei, Hadiseh; Hossein Alipour, Mostafa; Ommi, F; Movahednejad, Ehsan; Sharifzadeh, Reza

Microscopic Test of a Swirl Injector by High-speed Photography

Document Type : Original Research Paper

Authors

Hadiseh Karimaei ¹

Mostafa Hossein Alipour ²

F Ommi ³

Ehsan Movahednejad ⁴

Reza Sharifzadeh ⁵

¹ Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology

² Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

³ Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

⁴ Mapna Turbine Engineering and Construction Company (Toga), Tehran, IRAN

⁵ Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

Abstract

A swirl injector is tested to investigate the instability of the liquid sheet emanating from it and determine the main microscopic characteristics of the spray. The injector, which is tested, was already approved by doing the characterization tests (macroscopic). Due to the fact that the PDPA systems to measure the spray characteristics are very expensive and high-tech, and therefore inaccessible for us , it is attempted to investigate the specifications and instability of the liquid sheet as much as possible, by photography. The liquid sheet emanating from the injector has perturbations on its surface which originate from inside the injector. Due to the aerodynamic interactions, these perturbations grow and eventually lead to break up the liquid sheet and form the ligaments. The growth of these unstable waves can be observed in the images. Also the breakup length can be measured using the images recorded. Also ligaments in the primary breakup zone and droplets were shown.

Keywords

Swirl injector

Atomization setup

Spray cone

Liquid sheet instability

Article Title Persian

آزمون ذره سنجی یک انژکتور گریز از مرکز به کمک عکس برداری پرسرعت

Authors Persian

حدیثه کریمایی ¹

سید مصطفی حسینعلی پور ²

فتح الله امی ³

احسان موحدنژاد ⁴

رضا شریف زاده ⁵

¹ پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

² دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

³ دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

⁴ شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا (تـوگا)، تهران، ایران

⁵ دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

Abstract Persian

در این مقاله، به منظور بررسی ناپایداری سطح لایة سیال خروجی از انژکتور و به‌دست آوردن مشخصه های اصلی میکروسکوپیک اسپری، یک انژکتور گریز از مرکز مورد آزمون تجربی قرار داده شد. این انژکتور از نوع جریان چرخشی میباشد و حین کارکرد، یک حفره هوا در مرکز انژکتور شکل میگیرد. بنابراین انژکتوری یک پایه اما با عملکرد دوفازی بوده و از این‌رو چتر پاششی به صورت یک مخروط توخالی ایجاد مینماید. انژکتوری که مورد آزمون قرار گرفته است قبلاً در مرحلة آزمونهای عملکردی (ماکروسکوپیک) تأیید شده است. از آنجاکه تجهیزات لیزر داپلر برای اندازهگیری مشخصات اسپری، دارای تکنولوژی پیشرفته و قیمت بسیار بالایی است، در مراکز تحقیقاتی داخل کشور در دسترس نمیباشد. از این‌رو تلاش شده است تا حد ممکن، این مشخصات و همچنین ناپایداری سطح لایة سیال به کمک عکس‌برداری بررسی شود. لایة سیال خروجی از انژکتور دارای نوساناتی بر روی سطح است که از داخل انژکتور نشأت میگیرد. این نوسانات در اثر تقابلات آیرودینامیکی رشد کرده و در نهایت منجر به شکست لایة سیال و شکلگیری لیگامنتها میشود. طول شکست نیز از تصاویر ثبت شده قابل اندازهگیری است. به کمک عکس‌برداری با دوربین پرسرعت، حرکت امواج ناپایدار بر روی لایة سیال خروجی از انژکتور و رشد آنها به خوبی دنبال شده است. همچنین، لیگامنتها در ناحیة شکست اولیه و تشکیل قطرات بلافاصله پس از شکست اولیه نشان داده شدهاند.

Keywords Persian

انژکتور گریز از مرکز

دستگاه تست اسپری

مخروط اسپری

ناپایداری لایة سیال

[1] Hosseinalipour, S.M. and Karimaei, H., “Prediction of Air Core and Injection Angle of a Swirl Injector using 3D Analysis,” 2^nd Proceding of Gas Turbine, Iran, Tehran, 2012, pp. 25-32 (in persian).

[2] Berthoumieu, P. and Lavergne, G., “Video Techniques Applied to the Characterization of Liquid Sheet Breakup,” Journal of Visualization, Vol. 4, No.3, 2001, pp. 267-275.

[3] Dash, S.K., Halder M.R., Peric M. and Som S.K., “Formation of Aircore in Nozzles With Tangential Entry,” Journal of Fluid Engineering, Vol. 123, No.4, 2001, pp. 829-835.

[4] Sallam, K.A., Dai, Z. and Faeth, G.M., “Liquid Breakup at the Surface of Turbulent Round Liquid Jets in Still Gases,” International Journal of Multiphase Flow, Vol. 28, No. 3, 2002, pp. 427-449.

[5] Wu, P.K. and Faeth, G.M., “Onset and End of Drop Formation Along the Surface of Turbulent Liquid Jets in Still Gases,” Phys. Fluids, Vol. 7, No. 11, 1995, 2915-2917.

[6] Park, S. W. and Lee, C. S., “Macroscopic structure and Atomization Characteristics of High-Speed Diesel Spray,” International Journal of Automotive Technology, Vol. 4, No. 4, 2003, pp. 157−164.

[7] Hwang, J.S., Ha, J.S. and No, S.Y., “Spray Characteristics of DME in Conditions of Common Rail Injection System (II),” Int. J. Automotive Technology, Vol. 4, No. 3, 2003, pp. 119-124.

[8] El-Sayed Negeed, R., Hidaka, S., Kohno, M. and Takata, Y., “Experimental and Analytical Investigation of Liquid Sheet Breakup Characteristics,” International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 32, No. 1, 2011, pp. 95–106.

[9] Jazayeri, S.A. and Xianguo, Li., “Nonlinear Instability of Plane Liquid Sheets, ” Journal of Fluid Mechanics, Vol. 40, No. 6, 2000, pp. 281-308,.

[10] Hosseinalipour, S.M., Karimaei, H. and Ommi, F., “Design, Numerical Simulation and Experiment of a Swirl Injector with Tangential Inlets,” Journal of Fuel and Combustion, Vol. 7, No. 2, 2014, pp.97-110 (in persian).

[11] Hosseinalipour, S.M., Karimaei, H. and Ommi, F., “Experimental Characterization of a Swirl Injector with Tangential Inlets,” Modares Mechanic Journal, Vol. 14, No. 10, 2014, pp.59-62 (in persian).

[12] Hosseinalipour, S.M., Karimaei, H. and Ommi, F., “Experimental Analysis of the Spray Characteristics of a Swirl Injector,” Tabriz University Mechanic Journal, Vol. 46, No. 4, 2016, pp.69-75 (in persian).

[13] Bayvel, L. and Orzechovski, Z., liquid atomization, 1^st Ed., Taylor & Francis, 1993, pp.105-115.

[14] Ommi, F., Space Propulsion and Rocket, 1^st Ed., Besat Publication, 2009, pp.76-88 (in persian).

[15] Karimaei, H., Prediction of Droplet Size and Velocity Distributions Using Maximum Entropy Model by Coupling of Atomization Stages, (PhD Thesis), Iran University of Science and Thechnology, Iran, 2016, pp.170-173 (in persian).