Análisis del flujo en atomizadores de presión con giro

摘要

Los atomizadores de presión con giro son uno de los tipos más comunes de atomizador. En ellos el líquido es inyectado en una cámara axilsimétrica a través de unos canales tangentes a su pared lateral que imprimen una velocidad de giro al líquido, dando lugar a un torbellino hueco con un núcleo de aire que se extiende a lo largo del eje de la cámara. El líquido, tras atravesar una región convergente, fluye a través de un orificio de salida concéntrico a la cámara, formando una lámina anular. Esta lámina, al abandonar el orificio, se expande radialmente, tomando inicialmente una forma cónica, y forma ligamentos que se rompen en gotas. Los problemas fluido dinámicos asociados a la operación de los atomizadores de presión con giro son complejos. La obtención de información sobre el comportamiento del flujo mediante ensayos experimentales es complicada, debido al pequeño tamaño de los atomizadores y a las dificultades de acceso óptico. El cálculo numérico directo del flujo tampoco está libre de complejidad, debido a la presencia de varios procesos simultáneamente, cuya influencia en las características del atomizador no es fácil de identificar. En estas condiciones, se ha enfocado el estudio del problema mediante la formulación de modelos aproximados de procesos o grupos de procesos individuales, que puedan analizarse con relativa facilidad y proporcionar información relevante. Primeramente, se ha realizado un estudio de una aproximación no viscosa del flujo. Para analizar la influencia de los diferentes parámetros geométricos del atomizador, se ha estudiado numéricamente el problema, para lo que se ha construido un modelo basado en el método de los elementos de contorno. Este modelo nos ha permitido determinar cómo varían las principales características del flujo estacionario para varias configuraciones geométricas del atomizador, mostrando las discrepancias con los resultados obtenidos previamente por otros autores mediante modelos irrotacionales más simplificados. También se ha estudiado el problema no estacionario de la propagación de ondas en la superficie del núcleo de aire, obteniendo las velocidades de propagación de las mismas en las diferentes regiones de la cámara del atomizador. A continuación, se han analizado los efectos de la viscosidad en el flujo interno del atomizador a altos números de Reynolds. Para ciertas configuraciones del atomizador, las capas límite que aparecen pueden cubrir gran parte del espesor de la lámina líquida, lo que influye en las condiciones del flujo y resta validez a los resultados obtenidos mediante modelos irrotacionales. Para estudiar este efecto, se ha analizado el problema viscoso empleando una aproximación cuasi-cilíndrica que ha permitido obtener las principales características del flujo a un coste computacional mucho menor que el que supondría la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes completas. Los resultados obtenidos muestran la importancia del papel jugado por las capas límite. Estas causan un aumento del espesor de la lámina líquida al final del orificio de salida respecto al calculado por las aproximaciones irrotacionales, así como una disminución de la sobrepresión requerida y del semiángulo de la lámina cónica generada. Finalmente, se ha estudiado la forma y la estabilidad de la lámina líquida generada a la salida del atomizador. Si ésta no se rompe antes, inicialmente toma una forma cónica, pues en la región próxima a la salida del atomizador los efectos de la tensión superficial son despreciables, y se cierra aguas abajo cuando dichos efectos se hacen importantes. Si la velocidad relativa entre el líquido y el gas que lo rodea es suficientemente alta, se excita una inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, que produce un novimiento oscilatorio en la lámina similar al de una bandera. Esta inestabilidad da lugar a aceleraciones transitorias perpendiculares a la lámina, que pueden derivar en una inestabilidad secundaria de Rayleigh-Taylor, la cual es la causante de la formación de ligamentos que posteriormente se rompen en gotas. El estudio de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor nos ha permitido estimar la distancia a la que se desintegra la lámina líquida. ABSTRACT Pressure swirl atomizers are one of the most common types of atomizer used in a large variety of industrial applications. These atomizers generate an axisymmetric sheet of rotating liquid that rapidly breaks into ligaments and then drops. To generate this sheet, liquid is injected into a cylindrical chamber through tangential slots that induce a swirling flow in the chamber, in the form of a hollow vortex with an air core extending along the axis of the chamber. This flow converges towards a central exit orifice in a process that intensifies the rotation of the liquid, which emerges from the chamber as an annular rotating sheet that rapidly becomes conical when its radial motion ceases to be restricted by the chamber wall. The flow associated with the operation of pressure swirl atomizers is complex. The experimental tests performed in order to obtain information on the behaviour of the flow are dificult, due to the small size of the atomizers and the difficulties of optical access. Direct numerical techniques are also complicated, due to the presence of several simultaneous processes, whose influence on the characteristics of the atomizer is not easy to identify. In these conditions, our study of the problem has proceeded through the formulation of approximate models of processes or groups of individual processes that can be analyzed with relative ease and provide relevant information. A non-viscous, irrotational, approximation to the flow has been studied. In order to analyze the efects of the geometry of the atomizer, a boundary element method (BEM) model has been developed to simulate the irrotational flow. The influence of several geometrical parameters on the steady flow has been determined and compared with the results of previous researchers. In addition, wave propagation along the surface of the air core has also been studied. If the viscosity of the liquid is considered, boundary layers develop at the walls of the chamber. These boundary layers may cover a substantial part of the sheet in typical conditions, which limits the validity of irrotational models. A quasi-cylindrical approximation for viscous swirling flows slowly varying in the axial direction has been used to describe the internal flow in an atomizer chamber. The results show that this approximation captures many features of the flow in the chamber at a fraction of the computational cost of a full Navier-Stokes simulation. The results are in good agreement with previous simulations and experiments. The effect of the surface tension is small in the liquid sheet that emerges from the atomizer, so that the sheet rapidly takes a conical shape. However, surface tension effects become important in a certain region far downstream of the atomizer where the sheet departs from a cone. If the relative velocity between the liquid and the surrounding gas is high enough, a Kelvin-Helmholtz instability is excited that causes an undulatory motion of the sheet, so that the liquid is alternatively accelerated towards one or the other side of the sheet. In these conditions, the interface between the liquid and the gas is potentially unstable. This instability (Rayleigh-Taylor instability) is responsible for the formation of ligaments, and determines the distance at which the liquid sheet disintegrates.