Prediction of droplet size and velocity distribution based on maximum entropy formulation by nonlinear instability analysis of liquid sheet spray and turbulent of nozzle flow

Ommi, Fathollah; Poorrajab Sufinai, Dooman; Doomiri Ganji, Davood; Moosavi, Seyed Hossein

doi:10.30699/jsst.2020.1122

Prediction of droplet size and velocity distribution based on maximum entropy formulation by nonlinear instability analysis of liquid sheet spray and turbulent of nozzle flow

Document Type : Original Research Paper

Authors

Fathollah Ommi ¹

Dooman Poorrajab Sufinai ²

Davood Doomiri Ganji ³

Seyed Hossein Moosavi ⁴

¹ Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, IRAN

² Ph.D. Student, Aerospace. Eng., Tehran Univ.,Pardis Kish,kish. IRAN

³ Department of Mechanical Engineering Mechanical, NIT university, ,Babol, IRAN

⁴ Science and Technology Park, Tarbiat Modares University, Tehran, IRAN

10.30699/jsst.2020.1122

Abstract

In this research, it is attempted to determine the diameter and velocity distribution according to the flow characteristics of the upstream and without needing experimental measurements.
Firstly, Fluent software has been used to simulate the turbulent flow of inside nozzle by k-? model to obtain the nozzle turbulence energy at the nozzle outlet. Then, nonlinear growth rate analysis of instability is used to determine spray breakup length and the frequency of maximum instability and the mean diameter of primary breakup. Four equation maximum entropy model has been developed according to the inlet of upstream flow. Subsequently, the terms of momentum source as well as the energy of maximum entropy model has been determined using the results of simulated nozzle turbulence flow and instability analysis. In the following, first the results of maximum entropy model have been evaluated with the experimental input and then determined with upstream input. The obtained results which have been compared with experimental tests show well agreement.

Keywords

k-ε Simulation

Diameter Distribution

Non-Linear instability Analysis

Maximum Entropy

Article Title Persian

تخمین توزیع قطر و سرعت اسپری به روش ماکزیمم انتروپی با استفاده از تحلیل غیر خطی ناپایداری و شبیه‌سازی توربولانس جریان بالا دست

Authors Persian

فتح اله امی ¹

دومان پوررجب صوفیانی ²

داوود دومیری گنجی ³

سید حسین موسوی ⁴

¹ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

² دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه تهران، پردیس کیش، کیش، ایران

³ دانشکده مهندسی مکانیک. دانشگاه نوشیروانی بابل، بابل، ایران

⁴ پارک علم و فناوری ، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

Abstract Persian

در این تحقیق سعی شده با توجه به مشخصات جریان بالادست و بدون نیاز به اندازه‌گیری تجربی، توزیع قطر و سرعت تعیین -گردد. در ابتدا با استفاده از نرم افزار فلوئنت، جریان توربولانس داخل نازل به وسیله مدل دو معادله‌ای k-ε شبیه‌سازی شده و انرژی توربولانس نازل در خروجی نازل تعیین می‌گردد، سپس با استفاده از تحلیل رشد غیرخطی اغتشاشات طول شکست افشانه و فرکانس حداکثر ناپایداری تعیین گشته و در نتیجه آن قطر میانگین شکست اولیه تعیین می‌گردد. همچنین مدل ماکزیمم انتروپی چهارمعادله‌ای با توجه به ورودی جریان بالادست توسعه یافته و در ادامه ترم‌های چشمه ممنتوم و انرژی مدل ماکزیمم انتروپی با استفاده ازنتایج شبیه‌سازی جریان توربولانس نازل و تحلیل ناپایداری تعیین می‌گردد. در ادامه نتایج مدل ماکزیمم انتروپی ابتدا با ورودی‌های تجربی ارزیابی شده و سپس نتایج مدل با ورودی جریان بالادست تعیین می‌گردد. این نتایج نیز با نتایج تجربی مقایسه گردیده که همخوانی مناسبی را نشان می‌دهد

Keywords Persian

شبیه‌سازی دو معادله‌ای

توزیع قطر

تحلیل غیرخطی‌ناپایداری

ماکزیمم انتروپی

1. Dumouchel, C., "The maximum entropy formalism and the prediction of liquid spray drop-size distribution" Entropy, Vol. 11, No. 4, 2009, pp. 713-747.

2. Bodaghkhani, A., Colbourne, B. and Muzychka, Y.S., "Prediction of droplet size and velocity distribution for spray formation due to wave-body interactions," Ocean Engineering,. Vol. 155, 2018, pp. 106-114.

3. Asadollahzadeh, M. and et al., "Using maximum entropy, Gamma, Inverse Gaussian and Weibull approach for prediction of drop size distribution in a liquid–liquid extraction column," Chemical Engineering Research and Design, Vol. 117,2017, pp. 637-647.

4. Movahednejad, E., Ommi, F. and Hosseinalipour, S.M., "Prediction of droplet size and velocity distribution in droplet formation region of liquid spray," Entropy, Vol. 12, No. 6, 2010, pp. 1484-1498.

5. Hosseinalipour, S.M., Karimaei, H. and Movahednejad, E., "Droplets diameter distribution using maximum entropy formulation combined with a new energy-based sub-model," Chinese journal of chemical engineering, Vol. 24, No. 11, 2016, pp. 1625-1630.

6. Tayeb, R. and et al., "Both experimental and numerical investigation on breakup length of cylindrical falling jet," Procedia Engineering, Vol. 56, 2013, pp. 462-467.

7. Omocea, I.L. and et al., "Breakup of Liquid Jets," Energy Procedia, Vol. 85, 2016, pp. 383-389.

8. Yao, S., Zhang, J. and Fang, T., "Effect of viscosities on structure and instability of sprays from a swirl atomizer," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 39, 2012, pp. 158-166.

9. Ibrahim, A. and Jog, M., "Nonlinear instability of an annular liquid sheet exposed to gas flow," International Journal of Multiphase Flow, Vol. 34, No. 7, 2008, pp. 647-664.

10. Zhao, H. and et al., "Transition Weber number between surfactant-laden drop bag breakup and shear breakup of secondary atomization," Fuel, Vol. 221, 2018, pp. 138-143.