Developing a methodology for the design and optimization of the pressure-swirl atomizers

Atomizasyon, sıvının küçük damlacıklara parçalanması işlemidir ve neredeyse yüzyıldır akışkanlar dinamiğinin araştırma konusu olmuştur. Atomizasyon için kullanılan cihazlara atomizer denir ve atomizasyon elde etmek için farklı stratejiler kullanan birçok farklı tipte atomizer geliştirilmiştir. Basınç girdaplı atomizer, basitliği ve çok çeşitli damlacık boyutu ve sprey kapsama alanı elde edebilme yeteneği nedeniyle en yaygın kullanılan atomizer türlerinden biridir. Basınç girdaplı atomizerin geometrisi basit olsa da, dahili akış alanı türbülans, sıvı/gaz arayüzü, devir daim bölgeleri ve akış kararsızlığı gibi karmaşık olayları içerir. Basınç girdaplı atomizer performansının modellenmesi birçok araştırmacı tarafından çalışılmış ve farklı modeller geliştirilmiştir. Bu modeller arasından 2B ve 3B nümerik simülasyonların en doğru modeller olduğu öne sürülse de 2B simülasyonların doğruluğu birçok araştırmacı tarafından sorgulanmıştır. Literatürde başka modeller, 1B modeller ve yarı ampirik korelasyonlar da mevcuttur, ancak ikincisinin doğruluğunun düşük olduğu bildirilmektedir. Basınç girdaplı atomizerlerin optimizasyonunda kullanılabilecek, hata değerleri düşük olan modeller literatürde bulunmamaktadır. Nümerik modelleme ile doğruluğu yüksek sonuçlar elde edilebilse de, hesaplama süresi bu modellerin optimizasyon hesaplamalarında kullanılmasını engeller. Bu çalışma, bu tür hesaplamalar için kullanılabilecek geliştirilmiş modelleri sunmakta ve yapılan deneyler ve simülasyonlarla karşılaştırmalı olarak doğruluklarını ortaya koymaktadır. Bu çalışmada ilk olarak 2 boyutlu simülasyonların giriş kısımının modellemesi incelenmiştir. Giriş hızı bileşenlerinin hesabında, teğet girişler nedeniyle oluşan akış deformasyonunun etkisini içerecek şekilde hesaplama yapıldığında, 2B simülasyonların doğruluğunun büyük ölçüde iyileştirilebileceği gösterilmiştir. Deformasyon miktarı için daha önceki bir çalışmada geliştirilen bir modelin, giriş hızı bileşenlerini hesaplamak için kullanılabileceği gösterilmiştir. Sonrasında, deneysel verilerle birlikte literatürdeki mevcut yarı ampirik modeller sunulmuş ve incelenmiştir. 34 farklı çalışmadan elde edilen toplam 1.777 deneysel veri noktası sağlanmış ve kataloglanmıştır. Yarı ampirik korelasyonların geliştirildikleri aralıkta değil, global bir aralıkta değerlendirildiğinde, hata değerlerinin önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Deneysel veriler kullanılarak küresel olarak daha doğru olan yeni yarı ampirik korelasyon seti elde edilmiştir. Ancak, elde edilen korelasyonlarla bile, basınç farkı ve damlacık boyutlarının hesaplanmasındaki hata değerleri hala %50'den yüksektir. Yarı ampirik modellemede istenen doğruluk seviyesinin elde edilememesi nedeniyle basınç girdaplı atomizerin iç akış alanının modellenmesi için sınır tabakası modelleme yaklaşımı benimsenmiştir. Atomizerin düz kısımları için (girdap odası ve orifis) ve yakınsak veya ıraksak kısımlar için (yakınsak kesit veya trompet) olmak üzere iki farklı model elde edilmiştir. Düz kısımlar için geliştirilen modelin değerlendirilmesi, açık uçlu basınçlı girdaplı atomizerlerin deneysel verileri ile yapılmıştır. Yakınsak veya ıraksak kısımlar için geliştirilen modelin değerlendirmesi ise, bu çalışma çerçevesinde geliştirilen atomizer geometrisinin 3 boyutlu simülasyonları ile yapılmıştır. Son olarak, birleştirilmiş modelin doğruluğu, kapalı uçlu basınç girdaplı atomizerlerin deneysel verileriyle değerlendirilmiştir. Basınç girdaplı atomizer iç akış alanının, spreyin homojenliği üzerindeki etkisini anlayabilmek için çok sayıda 3B simülasyon gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlar, farklı bir şekle sahip atomizer geometrisi ile yapılmıştır ve daha sonra bunların arasından üç geometri üretilmek üzere seçilmiştir. Seçilen geometrilerden ikisi homojen spreylere sahipken, üçüncüsü homojen olmayan spreye sahiptir. Girişlerin farklı şekli nedeniyle, bu atomizerler Lazer Litografi adı verilen yöntemle üretilmiştir ve geometrilerin imalat toleransı 1 $\mu$m'den düşüktür. Atomizerlerin deneyleri, radyal düzlemde Laser Induced Fluorescence yöntemi ile yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, homojen olmayan iç akış yapısının spreyde büyük çaplı damlacık kümelerinin bulunmasına yol açtığını göstermiştir. İç akışısın homojenliği hesaplayabilmek için yarı ampirik bir model geliştirilmiş ve literatürdeki mevcut model ve deneysel verilerle karşılaştırması yapılmıştır. Basınç girdaplı atomizerin spreyi, atomizerden geçen akış debisi ve basınç arttıkça farklı şekiller alır ve spreyin son haline tam gelişmiş sprey denir. Basınç girdaplı atomizerlerin spreyinin gelişimi de bu çalışmada modellenmiştir. Bu amaçla hem bu çalışma çerçevesinde yapılan deneyler hem de literatürden elde edilen deneysel veriler kullanılmıştır. Gradient-descent yöntemi kullanılarak Reynolds ve Weber sayılarına dayalı bir model elde edilmiş ve literatürdeki mevcut korelasyonlarla karşılaştırması yapılmıştır. Ticari CFD yazılımlarında sıklıkla kullanılan Linear Instability Sheet Atomization (LISA) adlı model kullanılarak damlacık çapı modellemesi yapılmıştır. Denklemlerin incelenmesi ile bu modelin analizi yapılmıştır ve farklı varsayımlarla yapılan sadeleştirilmeler sonucu sekiz farklı korelasyon elde edilmiştir. Elde edilen korelasyonların değerlendirilmesi, bu çalışma kapsamında Shadowgraphy yöntemiyle elde edilen deneysel verileri ile yapılan karşılaştırmalar ile yapılmıştır. Damlacık çapı deneylerinin tamamı, atomizasyonun birincil parçalanma bölgesinde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, spreyin parçalanma uzunluğunun doğru bir şekilde modellenebildiği durumlarda, temsili damlacık çapının elde edilmesi için LISA modelinin kullanılabileceğini göstermiştir. Damlacık çapı dağılımının elde edilebilmesi için, yayılma parametresinin hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir model elde edilmiştir. Bu parametre ticari CFD yazılımlarında sabit olarak alınsa dahi, elde edilen sonuçlar ile önemli bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Geliştirilen modelin ticari CFD yazılımlarında yer alan model ile karşılaştırılması da yapılmıştır. Son olarak, elde edilen modellerin kombinasyonu ve bir optimizasyon çalışması yapmak için kullanım sırası sunulmuştur. Elde edilen modelin tek bir geometrinin hesabını tek işlemci çekirdeği kullanarak 20.0 saniyede yapabildiği belirtilmiştir. 2B ve 3B simülasyonların sırasıyla 208 çekirdek-saat ve 2.880 çekirdek-saat gerektirdiği bilgisi sunulmuştur. Geliştirilen modelin 2B simülasyona göre 37.440 kat, 3B simülasyona göre 518.440 kat daha hızlı olduğu görülmektedir.