T ạo nhiệt độ và áp suất trong buồngcháy CVCC
2.3. Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun
35
Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau. Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra. Cĩ thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, bao gồm các giai đoạn như: Rayleigh, nhiễu loạn sơ cấp, nhiễu loạn thứ cấp và tán nhỏ hạt (phun sương).
Nhằm đưa ra một mơ tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohnesorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun cịn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã cĩ thể được mơ tả bởi số Weber chất lỏng:
Wel =u2Dρl
σ (2.1)
Và số Reynolds:
Re =uDρl
μl (2.2) Loại bỏ vận tốc tia phun u, Ohnesorge thu được số Ohnesorge khơng thứ nguyên:
Z = √Wel
Re = μl
√σρlD (2.3) Trong đĩ bao gồm tất cả các tính chất cĩ liên quan của chất lỏng (σ: Sức căng bề mặt, ρl: Khối lượng riêng, μl: Độ nhớt động) và đường kính lỗ phun D.
Hình 2. 7 là sơ đồ Ohnesorge, ở đĩ Z là hàm của của Re. Với điều kiện ổn định, phân biệt được sự khác nhau giữa bốn cơ chế phân rã tia phun. Tuy nhiên, chỉ mơ tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là khơng đủ, vì sự xé tơi hạt (phun sương) cĩ thể được tăng cường bằng cách tăng mật độ khí.
Hình 2. 7. Cơ chế phá vỡ tia phun [66].
Hình 2. 8 là sơ đồ mơ tả các cơ chế phá vỡ các tia phun khác nhau, nếu thơng số hình học vịi phun là cố định và chất lỏng thuần nhất, biến duy nhất là vận tốc chất lỏng u.
36
Hình 2. 8. Sơ đồ mơ tảcơ chế phá vỡ tia phun [12]
Nếu vận tốc quá thấp, dịng chảy nhỏ giọt và khơng hình thành tia phun. Sự gia tăng vận tốc u dẫn đến sự hình thành tia phun liên tục. Giai đoạn này được gọi là phân rã Rayleigh. Sự phân rã này xảy ra do sự gia tăng dao động của khối lượng qua trục đối xứng của tia phun bởi quán tính chất lỏng và sức căng bề mặt. Những giọt chất lỏng bị chèn ép ra khỏi tia phun, và kích thước của chúng lớn hơn đường kính lỗ vịi phun D.
Trong cơ chế phân rã sơ cấp, lực tương tác của cơ chế Rayleigh được khuếch đại bởi các lực khí động. Thơng số cĩ liên quan là số Weber pha khí (Weg).
Ở giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp, các dịng chảy bên trong các lỗ phun là dịng chảy rối. Sự phá vỡ tia phun lúc này xảy ra do sự gia tăng dao động sĩng của bề mặt tia phun và khuếch đại nhiễu loạn dưới tác dụng của lực khí động do vận tốc tương đối giữa khí và tia phun. Kết quả là đường kính giọt nhỏ hơn đường kính lỗ phun, đường FG (Hình 2. 9).
Hình 2. 9. Sự phân rã của tia phun diesel [66]
Tại giai đoạn xé tơi hạt (phun sương), hình thành tia phun hình nĩn đỉnh của nĩn phun nằm bên trong các lỗ phun. Sự phân tán bắt đầu ngay sau khi tia phun ra khỏi miệng phun. Lõi tia phun cịn nguyên vẹn hoặc cĩ mật độ dày đặc bao gồm các hạt cĩ kích thước lớn cỡ đường kính lỗ phun. Ở vùng biên của tia, các giọt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Mơ tả lý thuyết của phân rã tia phun ở giai đoạn xé tơi hạt phức tạp hơn các giai đoạn khác, vì quá trình phân rã phụ thuộc nhiều vào điều kiện dịng chảy bên trong các lỗ phun, cĩ tính chất hỗn loạn khĩ xác định. Việc xác lập các mơ hình cũng rất khĩ khăn, bởi vì các thí nghiệm rất phức tạp do vận tốc phun cao, kích thước hạt nhỏ và dày đặc.
37
Hầu hết khối lượng chất lỏng được tập trung gần trục tia phun, trong khi khu vực biên chứa khối lượng chất lỏng ít và hơi nhiên liệu nhiều hơn, xem Hình 2. 10. Giọt cĩ vận tốc cực đại là tại trục tia phun và giảm theo hướng xuyên tâm do sự tương tác với khí vận động. Trong chùm phun dày đặc, xác suất va chạm giọt là rất cao. Những va chạm này dẫn đến sự thay đổi vận tốc và kích thước giọt. Các giọt nhỏ vì thế phân rã thành những giọt nhỏ hơn, nhưng chúng cũng cĩ thể kết hợp để tạo thành giọt lớn hơn, được gọi là giọt liên kết.
Hình 2. 10. Phân bố chùm tia phun áp suất cao nhiều lỗ chất lỏng (màu đen), hơi (màu xám) [67]
Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng
Sự phá vỡ giọt khi phun là do lực khí động (ma sát và áp suất) gây ra bởi vận tốc tương đối urel giữa các giọt nhỏ và khí xung quanh. Các lực khí động này gây ra dao động sĩng ngày càng tăng tại giao diện của 2 pha khí/lỏng, cuối cùng dẫn đến phân rã hình thành các giọt nhỏ hơn. Những giọt này một lần nữa chịu khí động và tiếp tục phân rã. Sức căng bề mặt cĩ xu hướng bảo tồn giọt chống biến dạng. Nếu lực khí động thắng sức căng bề mặt sẽ làm biến dạng và phân rã giọt. Nghiên cứu này được thể hiện qua số Weber của pha khí:
𝑊𝑒𝑔 = 𝑢𝑟𝑒𝑙2 𝑑𝜌𝑔
𝜎 (2.4) Ở đây: d là đường kính giọt trước khi phân rã, σ là sức căng bề mặt chất lỏng, urel là vận tốc tương đối giữa các giọt nhỏ và khí, và ρg là mật độ khí. Số Weber là tỉ lệ của áp lực khíđộng và sức căng bề mặt.