Eulerian-Lagrangian modelling of aviation kerosene spray breakup and evaporation

Abstract

Um modelo de componentes discretos (DCM), baseado nas soluções analíticas das equações de transferência de calor e difusão das espécies, juntamente com o modelo de Abramzon-Sirignano foram aplicados para analisar o aquecimento e evaporação de gotas de querosene do tipo Jet A e seus surrogates. A composição do combustível Jet A usada na análise, com 61 componentes divididos em 7 grupos de hidrocarbonetos, foi descrita. Esta composição foi aproximada por doze surrogates previamente desenvolvidos. O número de componentes nesses surrogates varia entre dois e nove, o que deve levar a uma redução significativa em custo computacional no cálculo do aquecimento e evaporação das gotas. Os modelos implementados no código próprio MFSim foram validados em relação a resultados experimentais disponíveis e os melhores surrogates em termos de previsão do tempo de evaporação e da temperatura das gotas de combustível Jet A foram identificados. Mostrou-se que o número de termos nas séries das soluções analíticas para temperatura e frações mássicas das espécies pode ser consideravelmente reduzido quase sem afetar a precisão dos cálculos. Em seguida, um modelo de quebra secundária híbrido determinístico-estocástico também foi incluído no código MFSim. Sua implementação foi validada usando um caso de referência de um spray não-evaporativo comparando-se a penetração do spray e do diâmetro médio de Sauter (SMD) com dados experimentais. Finalmente, Simulações das Grandes Escalas (LES) de sprays evaporativos com alta velocidade foram realizadas usando a abordagem do tipo euleriana-lagrangiana. Para a fase contínua gasosa, as equações filtradas da continuidade, quantidade de movimento, energia e frações mássicas das espécies foram resolvidas, juntamente com a equação da energia cinética turbulenta do modelo de submalha dinâmico. Para as gotas de líquido discretas, foram considerados os modelos de movimento, atomização, aquecimento e evaporação. Diferentes modelos de aquecimento e evaporação foram testados, considerando-se ou não condutividade térmica finita e difusividade finita no interior das gotas. Dois tipos de escoamentos com spray foram estudados neste trabalho devido ao seu interesse prático para motores aeronáuticos, sendo estes injeção de jato de líquido em ambiente quiescente e injeção de jato de líquido em fluxo gasoso cruzado. Com base nos resultados de modelagem obtidos, foi possível demonstrar a influência da composição do líquido no seu comportamento de quebra. Embora considerar gradientes de temperatura e espécies dentro das gotas aumente o custo computacional, o presente estudo chegou à conclusão de que eles devem ser considerados, principalmente em casos de alta temperatura. Além disso, esta pesquisa recomenda considerar a natureza multicomponente dos combustíveis reais usando surrogates como uma estratégia para reduzir o custo computacional.