Despite its benefit in engine thermal efficiency, gasoline-direct-injection (GDI) engines generate substantial particulate matter (PM) emissions compared to conventional port-fuel-injection (PFI) engines. One of the reasons for this is that the spray collapse caused by the spray-to-spray interaction forms the locally rich fuel-air mixture and increases the fuel wall film. Previous studies have investigated the spray collapse phenomenon through the macroscopic observation of spray behavior using laser optical techniques, but it is somewhat difficult to understand the interaction between sprays that is initiated in the near-nozzle region within 10 mm from the nozzle exit. In this study, the spray structure, droplet size and velocity data were obtained using an X-ray imaging technique from the near-nozzle to the downstream of the spray to investigate the spray-to-spray interaction and discuss the effects of spray collapse on local droplet size and velocity distribution. It was found that as the ambient density increases, the spray collapse was promoted due to the intensified spray-to-spray interaction, thereby increasing the local droplet size and velocity from the near-nozzle region as a result of droplet collision/coalescence.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.10
no.3
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pp.326-334
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1986
The effects of flow interaction between adjacent sprays in twin-spray system on the spatial distribution of injected liquid (water) and drop size distribution in condensable (steam) environment were carefully observed through experiments. The spatial distribution of injected liquid in twin-spray system appears to be more uniform than the simple superposition of the spatial distributions of liquid obtained from each individual spray. Drop size distribution was obtained by using the immersion sampling technique. It was found that, in the twin-spray, the larger numbers of small drops are collected throughout the spraying region due to the increase of entrainment velocity of ambient steam compared with the case of simple superposition of each individual spray. Moreover, in the overlapped portion of the twin-spray, the drop size distribution was changed also due to the collision between large drops. As a result, the behavior of twin-spray system (and eventually multiple-spray system) can not be predicted precisely by simple superposition of the behaviors of each constituting spray. Hence, for the design of multiple spray system, the effect of flow interaction between sprays should be taken into account seriously.
In the present article, recent progress of spray-wall interaction research has been reviewed. Studies on the spray-wall interaction phenomena can be categorized mainly into three groups: experiments on single drop impact and spray (multiple-drop) impingement, and development of comprehensive models. The criteria of wall-impingement regimes (i.e., stick, rebound, spread, splash, boiling induced breakup, breakup, and rebound with breakup) and the post-impingement characteristics (mostly for splash and rebound) are the main subjects of the single-drop impingement studies. Experimental studies on spray-wall impingement phenomena cover examination of the outline shape and internal structure of a spray after the wall impact. Various prediction models for the spray-wall impingement phenomena have been developed based on the experiments on the single drop impact and the spray impingement. In the present article, details on the wall-impingement criteria and post-impingement characteristics of single drops, external and internal structures of the spray after the wall impact, and their prediction models are reviewed.
The pressure-swirl atomizer is widely used for the injectors in liquid rocket engines thanks to its high performance atomization and broad stability margin range. Spray mixed-interaction is an important area of study especially in cases where the propellant is mixed by spray interaction after an oxidant and a fuel are discharged separately. This interaction of sprays results in a significant modification of the spray characteristics such as the spatial evolution of the sprays. Experiments are conducted by a photographic technique to quantify the merged angle of the interaction regions of sprays from two pressure-swirl injectors. The experimental results show that the merged angle is mainly determined by the momentum flux ratios between two swirled sprays.
A multi-dimensioanl model is being increasingly used to predict the thermo-flow field in the gas turbine combustor. This article addresses an integrated survey of modeling of the liquid spray formation and fuel distribution in gas turbine with high-shear nozzle/swirler assembly. The processes of concern include breakup of a liquid jet injected through a hole type orifice into air stream, spray-wall interaction and spray-film interaction, breakup of liquid sheet into ligaments and droplet,5, and secondary droplet breakup. Atomization of liquid through hole nozzle is described using a liquid blobs model and hybrid model of Kelvin-Helmholtz wave and Rayleigh-Taylor wave. The high-speed viscous liquid sheet atomization on the pre-filmer is modeled by a linear stability analysis. Spray-wall interaction model and liquid film model over the wall surface are also considered.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.12
no.2
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pp.359-372
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1988
Characteristics of twin spray ejected from two swirl spray nozzles were studied experimentally. By using a patternator for measuring volumetric flux of drop flow at various locations inside the spray, variation of the twin spray pattern along the axial direction was studied with changing the injection pressure and the distance between the nozzles. The general findings from the experiments are as follows: (i) as axial distance from the nozzles increases, the spray pattern in x-z plane which contains both nozzles changes significantly. On the other hand the spray pattern in y-z plane which passes the midpoint between two nozzles remains almost unchanged at outer region as axial distance and injection pressure vary; (ii) at the downstream of the twin spray with spray interaction, the maximum volumetric flux in y-z plane (q$_{max}$)$_{y}$, has tendency to become larger than that of x-z plane (q$_{max}$)$_{x}$, due to a characteristic(hollow cone shape) of the constituting swirl sprays, and this trend is pronounced at higher injection pressure since the cross-section of each single spray remains hollow at the longer axial distance from each nozzle with higher injection pressure; (iii) at a certain axial distance from the nozzles, the cross-sectional shape of the boundary of the twin spray tends to be circular similar to that of the single spray with twice the flow-rate, and that distance is not proportional to the distance between two nozzles; (iv) though there are some collisions between droplets from each nozzles of twin spray, in present experimental range, the flow pattern of gas including the entrainment effect plays the key role in spray interaction.n.ion.n.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.3
no.3
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pp.9-15
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1999
The Analysis of spray characteristics for combined spray group are necessary to develop large rocket engine. In this study, basic effects of interaction from spray fan formed by impinging jets were investigated with respect to mass distribution, droplet velocities and diameter. Patternater and PDPA are used for experimental apparatus. Water was used as a test fluid When momentum ratio is 1, effect of interaction from collision of spray fan on mass distribution are small. Also, effect of interaction from collision of spray fan on droplet velocities and diameter are small. But, droplet diameter is smaller near collision point due to second collision. Therefor, for the same momentum ratio from spray fan formed by impinging jets, we may neglect effect of interaction on mass distribution, droplet velocities and diameter.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.9
no.5
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pp.30-37
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2001
Most gasoline engines employ a port injection system to achieve the better fuel-air mixing. A part of injected fuels adheres to the wall or intake valve and forms a film of liquid fuel. The other is secondarily atomized by the spray-wall interaction. A better understanding of this interaction will help in designing injection systems and controlling the strategies to improve engine performance and exhaust emissions. In the present research, the spray-wall interaction was investigated by a laser sheet visualization method. The shape of sprays was pictured at various impinging velocities and angles. The fuel dispersion was estimated by fluorescence light, and the atomization was evaluated by the enlarged images of droplets. The experimental results were compared with model predictions which are based on OPT method. The model has been modified to have the better agreement with the experimental result, and was implemented in the KIVA-II code.
The spray/wall interaction is considered as an important phenomenon influencing air-fuel mixing in the internal combustion engines. In order to adequately represent the spray/wall interaction process, impingement regimes and post-impingement behavior have been modeled using experimental data and conservation constraints. The modeled regimes were stick, rebound, spread and splash. The tangential velocities of splashing droplets were obtained using a theoretical relationship. The continuous phase was modeled using the Eulerian conservation equations, and the dispersed phase was calculated using a discrete droplet model. The numerical simulations were compared to experimental results for spray impingement normal to the wall. The predictions for the secondary droplet velocities and droplet sizes were in good agreement with the experimental data.
The structure of sprays from a simplex type pilot nozzle atomizer is studied experimentally by measuring velocities, Sauter mean diameter, and number density. Interaction of the spray with gas-phase flow field generated from a 1 MW range industrial gas turbine combustor adopt ing a counter-swirler is investigated. Various spray behaviors are reported. Especially interest ing characteristics are the tangential motion of the spray and of the spray with swirl interaction. It shows a Rankine combined vortex type of velocity characteristics, having linear velocity profile inside the inner core whole small particles exist and rapidly decreasing velocity profiles outside. Interacting spray has relatively uniform number density profiles compared to the nozzle spray itself.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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