Study of the flow inside a twin fluid atomizer with internal mixing chamber and its influence on the spray quality

Resumen

La atomización juega un papel importante en la eficiencia de la combustión y emisión de contaminantes. Muchos investigadores han dedicado sus esfuerzos a comprender mejor los mecanismos básicos de la atomización de los distintos tipos atomizadores, analizando sus capacidades y limitaciones. Sin embargo, no se ha desarrollado una teoría completa que explique muchas de las interrogantes relacionadas con la ciencia y las tecnologías de la atomización. Actualmente, los sistemas de la combustión están sometidos a estrictas exigencias para mejorar su funcionamiento y disminuir sus emisiones contaminantes, particularmente CO2, debido a los continuos y cada vez mayores problemas ambientales, como el efecto invernadero y su influencia en los cambios de clima. En este contexto, se presenta este trabajo de investigación como un estudio experimental y numérico extenso centrado en el desarrollo, caracterización y optimización de un nuevo modelo de atomizador de dos fluidos diseñado para atomizar líquidos de gran viscosidad, operando con mejores rendimientos respecto a otros atomizadores similares disponibles en el mercado. El atomizador estudiado está compuesto por dos piezas que forman una cámara de mezcla interna cuando se unen. Un primer modelo se ha caracterizado para un amplio rango de condiciones de funcionamiento, optimizando algunas de sus características geométricas. La influencia de un conjunto de variables, tales como aire y flujos y presiones volumétricos líquidos de la inyección, ha sido analizada detalladamente con objeto de encontrar razones físicas que permitan explicar los resultados obtenidos. La influencia de algunas de las configuraciones geométricas específicas en la calidad del aerosol, atendiendo al SMD obtenido, también han sido estudiados. Particularmente, cinco parámetros geométricos de la boquilla, el diámetro del orificio de descarga del aire, la geometría de la base de la cámara interna de mezcla, el volumen de la cámara interna de mezcla, el ángulo de Appendix C inclinación de los puertos del líquido y el diámetro del orificio de salida, se han variado y probado, seleccionando en cada caso las dimensiones que producen el mejor aerosol. Otra nueva contribución de esta investigación es el análisis del patrón de flujo generado durante la interacción de ambos fluidos inyectados dentro del atomizador. Para tal fin, se ha aplicado la técnica de fluorescencia inducida por láser, asistida con una cámara de alta velocidad, a un modelo del atomizador, escalado, y fabricado en plástico transparente. De acuerdo con los resultados obtenidos, esta investigación presenta una serie de nuevas contribuciones para investigadores e ingenieros. Primero, se han evaluado las condiciones sónicas y subsónicas sistemáticamente derivándose una correlación empírica adimensional que permite estimar el régimen del flujo dentro del atomizador. Esta ecuación puede ser muy útil para diseñar atomizadores de dos fluidos. En segundo lugar, se han identificado los patrones de flujo desarrollados durante la interacción del aire y el agua dentro de la cámara de mezcla y se ha examinado su influencia sobre el SMD. Y tercero, se ha esclarecido la influencia de algunas de las geometrías del atomizador sobre el tamaño de gota. Por tanto, puede concluirse que el resultado final de este trabajo es un modelo optimizado del atomizador.