Det finns många processer, såsom framdrivning, i vilken vätska i ett superkritiskt tillstånd, där temperaturen och trycket sätter ett ämne bortom en urskiljbar vätske- eller gasfas, injiceras i en miljö med superkritiska termodynamiska förhållanden. Under dessa omständigheter, blandnings- och interaktionsdynamik beter sig inte som de skulle i sina väldefinierade vätske- eller gasfaser.
Raketmotorer, gasturbiner och dieselmotorer upplever förhållanden i sin förbränningskammare som överstiger de kritiska förhållandena för deras bränsle, och superkritiska finfördelade sprayer används för att belägga tabletter vid tillverkning av läkemedel. I båda fallen, Att förstå den exakta dynamiken i hur vätskan bryts upp och sprids kan leda till grundläggande förbättringar i hur sådana system är uppbyggda.
Studiet av jetsönderfall fokuserar särskilt på bränsleupplösning och blandning i förbränningskammaren för framdrivningsanordningar. Ett team av forskare vid University of Florida använde spektroskopisk diagnostik för att lära sig mer om grunderna för sub- och superkritisk jetupplösning, och rapporterar sina nya fynd den här veckan i tidningen Vätskans fysik .
"Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) -tekniken och processen att korrigera för absorptionseffekter är ett verktyg som är unikt för förbrännings- och framdrivningslaboratoriet, "sa Shaun DeSouza, en forskare vid University of Florida och huvudförfattare till publikationen. "Denna metod ger kvantitativa data för jämförelse med de kvalitativa data som produceras av skugggrafiktekniken." Även om avbildningsstudier av jets har utförts av många olika forskningsinstitutioner, det finns begränsade kvantitativa densitetsdata rapporterade i dessa studier.
För att få den kvantitativa informationen, DeSouza och hans samarbetspartner körde 48 tester av jetstrålar som injicerades från en enda öppning i en kammare med en av ett antal under- till överkritiska temperatur- och tryckkombinationer. De använde en vätska som heter fluorketon i dessa tester på grund av dess låga kritiska temperatur och tryck, egenskaper som styr det överkritiska beteendet av intresse, såväl som dess distinkta spektrala egenskaper som är väl lämpade för PLIF-detektion.
Den aktuella studien av enstaka munstycksstrålar injicerade i en kammare med sub- till superkritiska temperaturer och tryck fokuserades på effekten av kammar-till-injektant-densitetsförhållandet på jetupplösningen med 48 tester som kördes över ett omfattande täthetskvotintervall. För dessa tester, forskare använde fluorketon som arbetsvätska eftersom den har en jämförelsevis låg kritisk temperatur och tryck och en stark absorption i det nära ultravioletta området vilket gör det till ett bra val för visualisering av skuggbilder och PLIF.
Resultaten av studien visade noggrannheten hos PLIF, avbildning av enstaka plan i flödesfältet genom jetens mitt, vilket leder till märkbara skillnader i den uppmätta spridningsvinkeln jämfört med skugggrafi. Till skillnad från skuggbild, som integrativt avbildar hela jetplanet, PLIF ger mer detaljerad densitetsinformation som belyser funktioner som skugggrafi inte kan upptäcka.
Varje bildteknik erbjuder kompletterande fördelar, med PLIF som ger kvantitativa densitetsresultat och skugggrafi som ger mycket detaljerad flödesvisualisering. Medan skugggrafikdata överensstämde med tidigare visualiseringsstudier, PLIF -resultaten som gav kvantitativ mätning av centrala jetplanets densitet och densitetsgradienter erbjöd nya och olika resultat.
Resultaten avslöjade också trender som är viktiga för att förstå och förbättra applikationer som jetdrivning, såsom en ökning av normaliserad droppdiameter och en minskning av dropppopulationen när kammartemperaturerna ökade. Enligt arbetet, dock, både droppstorlek och fördelning var oberoende av kammartrycket.
"Nästa steg för denna forskning är att utöka de undersökta termodynamiska förhållandena och förbättra bildhårdvaran för att få en bättre förståelse under en större variation av förhållanden, sa DeSouza.
