Analysis of atomization systems through mathematical modeling and experimentationapplication to industrial fan-spray atomizers

Abstract

El principal objetivo de la atomización es la transformación de una masa líquida en partículas en una atmósfera gaseosa, maximizando la relación entre superficie libre y volumen.Se emplea en multitud de procesos industriales y aplicaciones como la combustión,refrigeración y metalurgia de polvos.El conocimiento de los procesos que intervienen en la atomización permite el ajuste de las características del spray a los requisitos particulares de cada aplicación, optimizando el uso del líquido atomizado. En la presente tesis se realiza un análisis del proceso de atomización primaria en atomizadores industriales de abanico basado en la modelización matemática y la experimentación. Se propone una metodología que relaciona las características del spray con la geometría del atomizador y las condiciones de operación basada en el acoplamiento de tres conocidas técnicas matemáticas, consiguiendo un modelo global del proceso de atomización primaria. Gracias a su planteamiento, esta metodología puede aplicarse a otros tipos de atomizadores, convirtiéndose en una herramienta muy útil para fabricantes de atomizadores. En primer lugar,se utilizan técnicas de Mecánica de Fluidos Computational para desarrollar un modelo del flujo que tiene lugar dentro del atomizador y en la zona exterior cerca del orificio. A través de este modelo,se obtienen los parámetros característicos de la lámina líquida, así como información interesante sobre su desarrollo que permite determinar el régimen de rotura dominante. A continuación se estudia el crecimiento de perturbaciones en la lámina a través de un análisis de inestabilidad lineal utilizando datos de las simulaciones anteriores. A través de este análisis se obtienen las características de la perturbación más inestable y se evalúa la influencia que tienen en ésta los parámetros del problema. Además de varios modelos sencillos encontrados en la bibliografía,se ha desarrollado un modelo matemático que considera el crecimiento espacial de perturbaciones y ambos fluidos con viscosidad. A través de este modelo se ha obtenido información sobre la influencia en la inestabilidad hidrodinámica de láminas líquidas de los perfiles de velocidades, los grupos adimensionales o el tipo de crecimiento de inestabilidad. En este sentido,se ha observado una fuerte dependencia de la perturbación crítica con los perfiles de velocidades y con el espesor de la capa de cortadura del gas. Dado que la desintegración de una lámina líquida está gobernada por efectos no lineales, con el fin de calcular su longitud de rotura y un tamaño de gota promedio, la información proporcionada por el análisis de inestabilidad lineal se ha completado con un modelo de rotura empírico. Para el cálculo de la longitud de la rotura se han propuesto dos condiciones diferentes dependiendo del régimen de desintegración predominante. Esta distinción se realiza también en el cálculo del tamaño de gota medio, puesto que la utilización del enfoque tradicional para este tipo de láminas encontrado en la bibliografía no es capaz de predecirlo correctamente. Por último, se ha empleado una formulación basada en el Principio de Máxima Entropía que proporciona las distribuciones de tamaño de gota. En dicha formulación se introducen como datos de entrada los valores de la longitud de la rotura y un diámetro característico promedio obtenidos del modelo de rotura, así como otros parámetros característicos de la lámina del primer submodelo. Se obtiene un buen nivel de ajuste entre valores teóricos y experimentales, aunque también se observa una fuerte dependencia de los resultados con la estimación inicial de los multiplicadores de Lagrange y la distribución inicial. Los experimentos han desempeñado un importante papel en la presente tesis, puesto que se han empleado para determinar los fenómenos físicos que tienen lugar durante la desestabilización y desintegración de la lámina líquida y, posteriormente, para corregir y validar los modelos matemáticos propuestos.