Análisis del flujo en atomizadores de presión con giro

Resumen

Los atomizadores de presión con giro son uno de los tipos más comunes de atomizador. En ellos el líquido es inyectado en una cámara axilsimétrica a través de unos canales tangentes a su pared lateral que imprimen una velocidad de giro al líquido, dando lugar a un torbellino hueco con un núcleo de aire que se extiende a lo largo del eje de la cámara. El líquido, tras atravesar una región convergente, fluye a través de un orificio de salida concéntrico a la cámara, formando una lámina anular. Esta lámina, al abandonar el orificio, se expande radialmente, tomando inicialmente una forma cónica, y forma ligamentos que se rompen en gotas. Los problemas fluidodinámicos asociados a la operación de los atomizadores de presión con giro son complejos. La obtención de información sobre el comportamiento del flujo mediante ensayos experimentales es complicada, debido al pequeño tamaño de los atomizadores y a las dificultades de acceso óptico. El cálculo numérico directo del flujo tampoco está libre de complejidad, debido a la presencia de varios procesos simultáneamente, cuya influencia en las características del atomizador no es fácil de identificar. En estas condiciones, se ha enfocado el estudio del problema mediante la formulación de modelos aproximados de procesos o grupos de procesos individuales, que puedan analizarse con relativa facilidad y proporcionar información relevante. Primeramente, se ha realizado un estudio de una aproximación no viscosa del flujo. Para analizar la influencia de los diferentes parámetros geométricos del atomizador, se ha estudiado numéricamente el problema, para lo que se ha construido un modelo basado en el método de los elementos de contorno. Este modelo nos ha permitido determinar cómo varían las principales características del flujo estacionario para varias configuraciones geométricas del atomizador, mostrando las discrepancias con los resultados obtenidos previamente por otros autores mediante modelos irrotacionales más simplificados. También se ha estudiado el problema no estacionario de la propagación de ondas en la superficie del núcleo de aire, obteniendo las velocidades de propagación de las mismas en las diferentes regiones de la cámara del atomizador. A continuación, se han analizado los efectos de la viscosidad en el flujo interno del atomizador a altos números de Reynolds. Para ciertas configuraciones del atomizador, las capas límite que aparecen pueden cubrir gran parte del espesor de la lámina líquida, lo que influye en las condiciones del flujo y resta validez a los resultados obtenidos mediante modelos irrotacionales. Para estudiar este efecto, se ha analizado el problema viscoso empleando una aproximación cuasi-cilíndrica que ha permitido obtener las principales características del flujo a un coste computacional mucho menor que el que supondría la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes completas. Los resultados obtenidos muestran la importancia del papel jugado por las capas límite. Éstas causan un aumento del espesor de la lámina líquida al final del orificio de salida respecto al calculado por las aproximaciones irrotacionales, así como una disminución de la sobrepresión requerida y del semiángulo de la lámina cónica generada. Finalmente, se ha estudiado la forma y la estabilidad de la lámina líquida generada a la salida del atomizador. Si ésta no se rompe antes, inicialmente toma una forma cónica, pues en la región próxima a la salida del atomizador los efectos de la tensión superficial son despreciables, y se cierra aguas abajo cuando dichos efectos se hacen importantes. Si la velocidad relativa entre el líquido y el gas que lo rodea es suficientemente alta, se excita una inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, que produce un novimiento oscilatorio en la lámina similar al de una bandera. Esta inestabilidad da lugar a aceleraciones transitorias perpendiculares a la lámina, que pueden derivar en una inestabilidad secundaria de Rayleigh-Taylor, la cual es la causante de la formación de ligamentos que posteriormente se rompen en gotas. El estudio de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor nos ha permitido estimar la distancia a la que se desintegra la lámina líquida.