شبيه‌سازي عددي پديده شكسته‌شدن يك قطره در مسير جريان گاز سرد و داغ و مطالعه ديناميك آن در ميدان سه‌بعدي

Numerical Simulation of a Droplet Break-up phenomenon in Cross Flow of Cold and Hot Gas and its Dynamic investigation in Three-Dimensional Field

در مقاله حاضر، شبيه‌سازي ديناميك قطره و فرآيند شكسته‌شدن آن در جريان گاز سرد و داغ انجام شده و تاثير پارامترهاي فيزيكي بر الگوي جريان دوفازي مورد مطالعه قرار گرفته‌است. در اين راستا، از حل عددي معادلات ناوير-استوكس با دو معادله براي دنبال كردن فصل مشترك و مدل‌سازي تبخير و تقطير بين قطره و گاز داغ اطراف آن استفاده شده‌است. جهت اطمينان از صحت و دقت الگوريتم عددي انتخاب شده براي مدل‌سازي فرآيند انتقال فاز بين مايع و بخار آن در كنار فاز گاز، مسئله يك‌بعدي استفان و جريان كوئت دوفازي شبيه‌سازي شده و نتايج حاصل از شبيه‌سازي عددي با نتايج حل تحليلي مقايسه شده‌است. سپس، ديناميك شكسته‌شدن قطره در مسير جريان گاز سرد در شرايط مختلف جريان شبيه‌سازي شده و نتايج به‌دست‌آمده مورد بحث و بررسي قرار گرفته‌است. در نهايت، شبيه‌سازي ديناميك قطره و تبخير و شكسته‌شدن آن در مسير جريان گاز داغ انجام‌شده و نتايج حاصل از حل حاضر ارائه شده است. نتايج به‌دست‌آمده در تحقيق حاضر نشان مي‌دهند كه نيروهاي آيروديناميكي و ناپايداري‌هاي كلوين-هلمهولتز و ريلي تيلور نقش موثري در ديناميك قطره در مسير جريان گاز سرد دارند.

In the present paper, the simulation of droplet dynamics and its breakup process in the cross flow of cold and hot gases are performed. Herein, the Navier-Stokes equations are used with employing two additional equations for tracking the liquid-gas interface and for computing the mass transfer due to the evaporation and condensation. Accuracy of the applied numerical algorithm is evaluated by simulation of the Stefan heat transfer problem, two-phase laminar Couette flow, and comparison of the present numerical results with those obtained based on the analytical solution. The dynamics of a droplet break-up in the cold gas are studied and the obtained results are discussed. Then, the study is carried out for the simulation of droplet dynamics in the cross flow of hot gas and the effect of the evaporation on the break-up process is investigated. The present study shows that the aerodynamics forces and Rayleigh-Taylor and Kelvin-Helmholtz instabilities have dominant effects on the droplet dynamics in the cold gas. However, for a droplet in the cross-flow of hot gas, evaporation has a significant effect on the deformation and breakup phenomenon.