Vaporization characteristics of a liquid heptane droplet in high-pressure and temperature flow field are numerically studied. Variable thermodynamic and transport properties and high-pressure effects are taken into account in order to consider real gas effects. Droplet Vaporization in convective environments was investigated on the basis of droplet vaporization in quiescent and convective environment. In quiescent environments, droplet lifetime is directly proportional to pressure at the subcritical temperature range but it is inversely proportional to pressure at the supercritical temperature range. In convective environment, droplet deformation becomes stronger by increasing Reynolds number due to increase of velocity while droplet deformation is relatively weak at a higher pressure for the same Reynolds number cases.
The present study is numerically investigated for the high pressure effects on the vaporization process of the DME droplet. The evaporation rate of DME droplets is about twice that of dodecane droplets at the same chamber condition. The DM droplet vaporization characteristics is parametrically studied for the wide range of the operating conditions encountered with the high pressure combustion process.
The burning characteristics of interacting spherical droplet in a turbulent flow are numerically investigated. The transient combustion of 3-dimensionally arranged droplets, both the fixed streamwise droplet distances of 3 radii and 10 radii and different turbulence intensities, is studied. The results obtained from the present numerical analysis show that droplet vaporization rate for heptane droplet is insensitive to turbulence intensity, and that the transient flame configuration and retardation of droplet surface temperature augmentation with streamwise droplet spacing substantially influence vaporization process of interacting droplets. Single flame mode in which individual flames are merged into single flame, with decreasing streamwise droplet spacing, becomes faster. Therefore, vaporization rate of the second droplet with decreasing streamwise droplet spacing decreases remarkably with flame movement.
In order for studying pressure-coupled dynamic responses of droplet vaporization, open-loop experiment of an isolated droplet vaporization exposed to pressure perturbations in stagnant gaseous environment is numerically conducted, Governing equations are solved for flow parameters at gas and liquid phases separately and thermodynamic parameters at the interfacial boundary are matched for problem closure. For high-pressure effects, vapor-liquid interfacial thermodynamics is rigorously treated. A series of parametric calculations in terms of mean pressure level and wave frequencies are carried out employing a n-pentane droplet in stagnant gaseous nitrogen. Results show that wave instability in view of pressure-coupled vaporization response seems more susceptible at higher pressures and higher wave frequencies. Mass evaporation rate responding to pressure waves is amplified with increase in pressure due to substantial reduction in latent heat of vaporization. Augmentation of perturbation frequency also enhances amplification due to the reduction of phase differences between pressure perturbation and surface temperature fluctuation.
A study of argon droplet vaporization is conducted using molecular dynamics, instead of using traditional methods such as the Navier-Stokes equation. Molecular dynamics uses Lagrangian frame to describe molecular behavior in a system and uses only momentum and position data of all molecules in the system. So every property is not a hypothetical input but a statistical result calculated from the momentum and position data. This work performed a simulation of the complete vaporization of a three dimensional submicron argon droplet within quiescent environment. Lennard-Jones 12-6 potential function is used as a intermolecular potential function. The molecular configuration is examined while an initially non-spherical droplet is changed into the spherical shape and droplet evaporates. And the droplet radius versus time is calculated with temperature and pressure profile.
Unsteady vaporization of a droplet quiescent in a high pressure environment are studied with emphasis placed oil the modeling of equilibrium at vapor-liquid interface. Complete set of conservation equations for liquid and gas phases is numerically time integrated. Vapor-liquid interfacial thermodynamics are solved by f]ash equilibrium calculation method. The model was proper]y validated with experiment and the improvement in the solution accuracy was made. Vaporization of n-pentane fuel droplet in nitrogen background gas is examined. Effects of ambient gas solubility, property variation, transient diffusion, and multicomponent transport on the droplet vaporization are investigated systematically. High-pressure effects on the droplet vaporization is examined and discussed.
A rigorous study of single droplet vaporization under quiescent high pressure atmosphere is attempted adopting method of flash evaporation calculation for vapor-liquid equilibrium. Results due to flash method shows excellent agreement with measurement. Also shown is the present model fairly capable of depicting transients of droplet vaporization under high pressure environment, such as ambient gas solubility, property variation, and multicomponent transports. Systematic treatment of these effects with emphasis on vapor-liquid phase equilibrium revealed; conventional treatment for subcritical droplet vaporization, such as $d^2$-law, leads to erroneous prediction of droplet history, augmented gas solubility is significant under supercritical pressure, and vaporization rate proportionally increase with pressure.
A numerical study of high pressure and temperature droplet vaporization and combustion is conducted by formulating one dimensional evaporation model and single-step chemical reaction in the mixture of hydrocarbon fuel and air. The ambient pressure ranged from atmospheric conditions to the supercritical conditions. In order to account for the real gas effect on fluid p-v-T properties in high pressure conditions, the modified Soave-Redlich-Kwong state equation is used in the evaluation of thermophysical properties. Some computational results are compared with Sato's experimental data for the validation of calculations in case of vaporization. The comparison between predictions and experiments showed quite a good agreement. Droplet surface temperature increased with increasing pressure. Ignition time increased with increasing initial droplet diameter. Temporal or spatial distribution of mass fraction, mass diffusivity, Lewis number, thermal conductivity, and specific heat were presented.
The present study is numerically investigated for the high-pressure effects on the vaporization process in the convection-dominating flow field. Numerical results agree well with the available experimental data. The fuel droplet vaporization characterization is parametrically studied for the wide range of the operating conditions encountered with the high-pressure combustion process of turbocharged diesel engines.
A vaporization model for single component fuel droplet has been developed for applying to sub- and supercritical conditions. This model can account for transient liquid heat ins and circulation effect inside the droplet, forced and natural convection, Stefan flow effect, real gas effect and ambient gas solubility into the liquid droplet in high-pressure conditions. Thermodynamic and transport properties are calculated as functions of temperature and pressure in both phases. Numerical calculations are carried out for several validation cases with the detailed experimental data. Numerical results confirm that this supercritical vaporization model is applicable to the high-pressure conditions encountered in the combustion processes of diesel engine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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