مطالعه پدیده برخورد قطرات در فرآیند پاشش سوخت در یک محفظه

علیرضا زمانی آقایی

چکیده

با توجه به کاربردهای گسترده‏ای که افشانه‏ها در صنعت دارند، از جمله خنک‏کاری توسط آب‏پاش‏های افشانه‏ایِ فشار قوی، افشانه‏های رنگ‏پاش و یا فرآیند تزریق سوخت به داخل یک محفظه‏ی احتراق مانند سیلندر یک خودرو، مطالعات زیادی در این زمینه صورت گرفته است. به ویژه در بحث موتورهای احتراق داخلی، نقش افشانه‏ها بیش از پیش نمایان می‏شود، چرا که فرآیند پاشش سوخت و اتمیزه شدن آن ارتباط مستقیمی با راندمان موتور و کاهش مصرف سوخت و تشکیل آلاینده‏ها دارد. از این رو درک صحیح پدیده‏ی پاشش در افشانه‏ها و اتفاقی که برای قطرات بعد از برخورد با هم رخ می‏دهد از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‏باشد. بررسی و مطالعه‏ی پدیده برخورد قطرات در یک افشانه موضوعی بسیار دشوار و پیچیده است. پدیده‏ی برخورد قطرات از یک سو به خودیِ خود دارای ماهیتی پیچیده است و هنوز با وجود مطالعات گسترده‏ای که در این حوزه انجام گرفته است شناخت کاملی از فیزیک این پدیده در دست نمی‏باشد. از سوی دیگر، تحلیل های آزمایشگاهی و عددی این پدیده نیز بسیار دشوار و با محدودیت‏های زیادی روبرو است. به همین علت، تحقیقات در زمینه برخورد قطرات در افشانه‏ها کماکان از موضوعات و چالش‏های مطرح در علم مکانیک می‏باشد. در مدلسازی افشانه‏ها باید به عوامل فیزیکی گوناگونی توجه شده و در مدل عددی ارائه شده در نظر گرفته شود. از آنجا که پاشش، تعاملی است میان دو فاز نیاز به تحلیل یک جریان دوفازی می‏باشد. قطرات بعد از برخورد به هم، در اثر عوامل مختلف، ممکن است دستخوش اتفاقات گوناگونی، که با عنوان رژیم‏های برخورد شناخته می‏شوند، گردند. این رژیم‏ها در تعیین مشخصات قطرات بعد از برخورد به هم موثراند. از این رو در مدلسازی افشانه‏ها باید توجه ویژه‏ای به این مورد شود. همچنین پدیده‏های تبخیر، آشفتگی و درگ از دیگر عواملی است که تاثیری مستقیم در پدیده برخورد قطرات دارند که باید در مدل ارائه شده، اعمال شوند. در تحقیق پیش‏رو، فرایند پاشش سوخت به داخل یک محفظه‏ی احتراق با کمک کد تجاری kiva4 مدلسازی شده و مورد بررسی قرار گرفته است. این کد که یک برنامه کامپیوتری به زبان برنامه‏نویسی فورترن بوده و حاصل بیش از سی سال تحقیقات می‏باشد، قادر به حل مساله های دوبعدی و سه‏بعدی جریان سیالات همراه با واکنش‏های شیمیایی و افشانه‏ی سوخت است. با وجود این که این کد بیشتر برای تحلیل موتورهای احتراقی گسترش پیدا کرده است، ولی می‏توان از آن در حل جریان‏های آشفته، آرام، مادون صوت، مافوق صوت و جریان‏های تک‏فازی و یا دوفازی نیز استفاده کرد. در فصل نخست این پایان‏نامه مقدمه‏ای در مورد افشانه‏‏ها، کاربردهای آن و پدیده‏ی برخورد قطرات در فرایند پاشش سوخت آورده خواهد شد. سپس به مرور اجمالیِ کارهای انجام شده در این زمینه توسط محققین مختلف پرداخته می‏شود. در فصل دوم این تحقیق به تئوری‏های مختلف در حوزه‏ی برخورد قطرات، از جمله ساختار افشانه‏ها، پارامترهای مهم در مدلسازی برخورد، رژیم‏های مختلف برخورد، مدل‏های مختلف ارائه شده در شبیه‏سازی فرایند برخورد، مدل‏های مربوط به آشفتگی، تبخیر و درگ، اشاره می‏شود. بعد از توضیح مختصری در مورد عملکرد کد kiva4 در تحلیل پدیده برخورد در فصل 3 و تعریف مساله در فصل 4، نتایج حاصل از حل عددی مساله در فصل 5 ارائه شده و به بحث و بررسی در مورد آن پرداخته می‏شود.

اساتید راهنما و مشاور

محمدرضا مدرس رضوی، محمدحسن کیهانی