Tudásunk egy csepp. Amit nem tudunk, az egy egész Óceán.

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK URBÁN ANDRÁS TDK DOLGOZAT Tudásunk egy csepp. Amit nem tudunk, az egy egész Óceán. Isaac Newton

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK ENERGETIKA 1. SZEKCIÓ URBÁN ANDRÁS (GÉPÉSZMÉRNÖK MSC I. ÉVFOLYAM) TDK DOLGOZAT Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével Konzulens: Józsa Viktor Budapest, 2015

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindenekelőtt Józsa Viktornak, akinek szakmai és emberi támogatását immár második éve élvezhetem. Külön köszönet illeti az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszéket, ahol a szakmai tudásom bővítésére jelentős mennyiségű lehetőség áll rendelkezésre. Továbbá, a bizalom megszavazásáért, melynek függvényében esélyem nyílt egy három hetes intenzív kutatómunkában részt venni, ahol előtanulmányaimra alapozva a levegő segédközeges porlasztási folyamat jellemzői kerültek mérés és kiértékelés alá. Végül, de nem utolsó sorban pedig szeretnék köszönetet mondani a Brnoi Műszaki Egyetem doktorandusz hallgatójának Matouš Zarembanak, és mesterképzésén tanuló hallgatójának Milan Malýnak, akik készséggel álltak rendelkezésemre a mérés kivitelezésében.

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés, a téma aktualitása... 1 2. A mérés előkészületei... 4 2.1. A porlasztás elméleti áttekintése... 7 2.2. A levegő segédközeges porlasztó bemutatása... 10 2.3. Félempirikus matematikai modell az SMD meghatározásához... 12 2.4. Alkalmazott tüzelőanyag bemutatása... 13 2.5. A kialakított mérőkör bemutatása... 16 2.6. A Fázis Doppler Anemométer (PDA) bemutatása... 18 3. A mérési eredmények kiértékelése... 20 3.1. Axiális sebességeloszlások értékelése... 21 3.2. Sauter középátmérő (SMD) eloszlásának értékelése... 26 3.3. A mérés validációja... 31 3.4. Az integrált Sauter középátmérő... 35 4. Numerikus szimuláció... 38 4.1. Alkalmazott geometriai modell bemutatása... 38 4.2. Hálófüggetlenségi vizsgálat... 39 4.3. A peremfeltételek és szimulációs beállítások... 44 4.4. Szimulációs eredmények bemutatása, kritikai értékelése... 46 5. Az eredmények összefoglalása, értékelése... 56 6. Irodalomjegyzék... 57 7. Ábrajegyzék... 58 8. Táblázatok jegyzéke... 59

1. Bevezetés, a téma aktualitása A Föld lakosságának energia iránti igénye folyamatosan növekszik. Ezt az is alátámasztja, hogy az utóbbi évszázadban a világ energiafogyasztása 17-szeresére növekedett [1]. Ennek köszönhetően a CO2, CO, SO2 és NOx kibocsátások mértéke fokozódott, mivel a globálisan felhasznált energia közel 90%-a tüzelési folyamatokból ered, aminek jelentős része fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származik [2]. Az előrejelzések alapján a kőolaj tartalékok várhatóan kevesebb, mint 50 év múlva kimerülnek a jelenlegi fogyasztási arányok mellett [3]. A hazai villamos energiatermelés közel 60%-a szén, földgáz és kőolajtermékek eltüzelésén alapszik így belátható, hogy a tüzelési folyamatok optimalizálása nélkülözhetetlen az egyre szigorodó károsanyag-kibocsátási rendeletek mellett. A gyakorlatban különféle tüzelési technológiákkal találkozhatunk, ahol más és más feltételeknek kell eleget tenni [2]. A számunkra releváns, vizsgálat alá kerülő a tüzelési folyamatot magába foglaló egységek a gázturbinák, amelyek a hazai és nemzetközi nézőpontok szerint is jelentős szerepet képviselnek az energiatermelésben és a repülésben. Ennek fő okai a stacionárius üzem, nagy egységteljesítmény és relatíve magas hatásfok. A gázturbinás egységek üzemeltetését főként földgázzal valósítják meg, de az égőtér kialakítása lehetővé teszi a folyadék halmazállapotú tüzelőanyagok alkalmazását is, amellyel elsősorban az ellátásbiztonság nő. Ahhoz, hogy az ilyen jellegű tüzelőanyagfajták megfelelő módon kerüljenek felhasználásra a tüzelőberendezésben optimális porlasztási viszonyokra van szükség, mivel ez a folyamat nagymértékben kihat az égés karakterisztikájára és tüzelés során keletkező szennyező anyagok mennyiségére [4]. A károsanyag-kibocsátás csökkentésének egyik megvalósítható módja az égés hatásfokának növelése. A korszerű gázturbinákban ennek hatásfoka, földgáz tüzelése esetén szinte tökéletesnek mondható, viszont a folyékony tüzelőanyagok alkalmazása esetén további vizsgálatok és javítások válnak szükségessé, főként a már korábban is említett károsanyag-kibocsátási előírások miatt [4]. A folyékony halmazállapotú tüzelőanyagok porlasztásánál a kialakuló cseppek felületét célszerű növelni, hogy a lángfrontot a lehető legjobban kondicionált tüzelőanyagpára-levegő keverék érje el. A felület növelésének módját és megvalósításához szükséges berendezést először magyar mérnököknek sikerült megvalósítani. Bánki Donát és munkatársa, Csonka János alkották meg a karburátort, amivel megteremtették az utat a belsőégésű motorok mobil alkalmazásának lehetőségei felé. 1

A felület növelésével tehát párhuzamosan biztosíthatóvá válik a magas égési hatásfok folyékony tüzelőanyagok alkalmazása esetén is. Ebből kifolyólag érdemes széleskörű vizsgálatokat végezni a porlasztási folyamatokra vonatkozóan, annak érdekében, hogy meghatározhatóvá váljanak az optimális porlasztási körülmények, amivel minimalizálni tudjuk a tüzelésből származó károsanyag-kibocsátást. Napjainkban porlasztás céljára sokféle, különböző működési elvű porlasztó áll rendelkezésünkre. Összességében 8 fő porlasztó típust ismer az irodalom, ezek közül említésre méltóak a nyomásos porlasztók, a duplex kialakítású nyomásos porlasztók, a segédközeges porlasztók és a szakaszosan működő porlasztók [1]. Ezek közül az elemzéseinket a levegő segédközeges porlasztó vizsgálatára építettük. A nyomásporlasztókhoz képest szélesebb üzemeltetési tartománnyal rendelkeznek, ami mellett további előnyként realizálódik a jobb alkalmazkodóképességük és biztonságosabb működésük, melyek összessége miatt széles körben alkalmazzák [4]. A porlasztási folyamathoz szükséges sebességkülönbséget a folyadék és a gáz fázisok közötti, nagynyomású levegő konfúzorban történő gyorsításával érik el, amely nagy sebességgel halad a betáplált tüzelőanyag felett. Az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék (EGR) laboratóriumában található Capstone C-30-as mikro-gázturbina porlasztója is levegő segédközeges porlasztási elven működik, ahol a levegő és tüzelőanyag bevezetése két koncentrikus csővezetékben valósul meg. A folyamatot főként a relatív sebesség és az anyagjellemzők befolyásolják, így a levegő segédközegként való alkalmazása csak egy célszerű megoldás, mivel lehetőség van más közegekkel is porlasztani [4]. Az ezzel kapcsolatos vizsgálatok már számos irodalomban publikálásra kerültek, ahol főként a szeszipari folyamatok melléktermékeként keletkező vizes alkoholok alkalmazásának vizsgálata került az elemzések középpontjába [5]. A porlasztott tüzelőanyag jellemzésére megbízhatóan csak félempirikus összefüggések állnak rendelkezésre, mivel a folyadékcseppek keletkezésének matematikai leírására nem létezik jelenleg megoldás. A cseppek jellemző mérete a mikrométeres tartományba esik, így ezek mérése nehezen kivitelezhető hagyományos technológiákkal. A mérési folyamatot a kialakuló cseppköd kellően ritkás mivolta miatt az optikai berendezések nem zavarják meg, így egy lézeroptikai elven működő mérőberendezés alkalmazása célszerű megoldásnak tűnik a cseppköd karakterisztikájának feltérképezésére. Ennek érdekében került alkalmazásra a levegő segédközeges porlasztó vizsgálatára a Fázis Doppler Anemométer (PDA), amely a létrehozott interferencia csíkrendszeren áthaladó cseppekről szóródó fényt egy fotodetektor segítségével méri. 2

A méréseket a hazai viszonylatban nem elérhető mérési környezet miatt a Brnoi Műszaki Egyetemen végeztük el. A vizsgálatok során szabványos diesel tüzelőanyagot alkalmaztunk (EN 590). Alapvető mérési céljaink közé tartozott, hogy a permet síkbeli eloszlását a kilépésre merőlegesen több távolságban is vizsgálni tudjuk. Ezzel kapcsolatosan a kiértékelések fő irányvonalát az axiális és radiális sebességeloszlások, illetve a mérés hitelességét alátámasztó validációs eredményvizsgálat adta. További cél volt a porlasztás területén széles körben használatos Sauter középátmérő (SMD) mérése, amely egy olyan jellemző méret, amely a vizsgált térrészben lévő cseppek átlagos térfogat és felület viszonyával egyezik meg [2]. Ennek analitikus úton történő kiszámítására, ahogy az már korábban is említésre került számos félempirikus összefüggés áll rendelkezésre, amely közelítő becslések esetén megfelelőnek bizonyulhat, viszont a cseppek pontos méretének meghatározására a PDA mérőműszer nyújtja a jelenleg elérhető legjobb megoldást. Manapság egyre gyakrabban használatos a cseppek méretének jellemzésére az integrált Sauter középátmérő, amely a mért SMD értékekből származtatható [6]. A kiértékelt mérésekhez szükségesnek találtuk a Fluent szoftverkörnyezetben való szimulációk elvégzését is, amelyek kivitelezésével összehasonlíthatóvá váltak a mérési és szimulációs eredmények. Ezáltal, azonos peremfeltételek mellett kritikailag értékelésre kerülhetett a numerikus szimuláció hatékonysága. 3

Levegő tömegárama [kg/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével 2. A mérés előkészületei Első megközelítésből két hasonló kialakítású és működési elven üzemelő levegő segédközeges porlasztó vizsgálatát tűztük ki célul, az összehasonlítás és megfelelő szintű validáció érdekében. A mérés előkészítésének érdekében előzetes mérések kerültek elvégzésre. A porlasztónyomás és az ezzel összefüggésben lévő levegő tömegárama közötti determinált kapcsolatot kalibrációs görbe segítségével definiáltuk. Az ehhez kapcsolódó eredményeket a 1. ábra tartalmazza, amely kiegészítésre került a Brno-ban elkészített kalibrációs görbével. Az összehasonlítás alapján megállapítható, hogy a két tényező közötti kapcsolatból eredő karakterisztika hasonlóságot mutat, viszont nem tapasztalható egyértelmű egyezés. Ennek fő okai közé tartozik a mérőkör kialakítása, a különböző méretű és hosszúságú csővezeték szakaszok összessége és a különböző mérőberendezéssel kivitelezett mérések. A kalibrációs görbékhez tartozó hibasávok mértéke a budapesti, rotaméteres mérés esetében 2,5 %, míg a brnoi mérés esetében csupán 1 %. 8 7 Budapest mérési eredményei (Hiba: 2,5%) Brno mérési eredményei (Hiba: 1%) 6 5 4 3 2 1 0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3 Porlasztóközeg nyomása [bar] 1. ábra: Kalibrációs görbék összehasonlítása a két mérési esetben A mérés előkészületeihez tartozott a mérőkör kialakítása, az egyes mérőberendezések kalibrációja, az égő mérőtérbe való elhelyezése és ennek optimalizálása a mérés sikerességének érdekében. Továbbá, a kialakítás megvalósítása után szükséges volt a rendszerek összehangolása és próbamérések 4

végzése, amit kerozinnal végeztünk. Az előtesztek sorozatát az égő keverőcsatornás kivitele mellett végeztük el, amely mindkét égő esetén problémás viselkedést produkált. A keverőcsatornával rendelkező (B) égő kialakítása a 2.2. fejezetben, a 6. ábrán látható. A jelentkező probléma fő forrását a keverőcsatorna kilépő nyílásának peremén megjelenő folyadékcseppek okozták. Ennek fő okát a hidegteszt alatt jelen lévő körülmények generálták, mivel az áramlási térben megjelenő cseppek idő előtt csapódtak a keverőcsatorna belső hideg falának, majd a keverőcsatorna kilépő peremén nagy cseppeket alkotva kismértékű örvényhatás mellett hagyták el azt. Így, a hidegteszt okozta korlátozó tényezők miatt, a várakozásokkal ellentétben egy égő teljes körű vizsgálata került a középpontba. 2. ábra: Az alkalmazott égő sematikus rajza keverőcsatorna jelenlétében [7], [8] A probléma megoldására először a keverőcsatorna elején kialakított furatokon keresztül áramló primer levegő bevezetésének alkalmazását vizsgáltuk, azonban nem állt módunkban olyan minőségű áramlási teret kialakítani, amely mellett csökkenteni tudtuk volna a keverőcsatorna kilépő peremén megjelenő cseppek mennyiségét. Az alkalmazott égő egyes bemeneti nyílásainak bemutatása a 2. ábrán látható. Ez problémát okozott a Fázis Doppler Anemométer működésének is, mivel a rendezetlen áramlás mellett a keletkező extra méretű cseppek miatt kialakuló inhomogenitás is jelentős mértékben lerontotta az előmérések hitelességét. Továbbá a kialakuló permet jelentős mértékben aszimmetrikus viselkedést produkált, amely a traverz mozgatórendszer beállítását nehezítette meg. Ezen hatások mellett olyan megállapításokat is tehettünk, hogy a csatorna kilépő pereméről folyamatos jelleggel csöpögő cseppek nem tartoztak a vizsgálni kívánt permethez, illetve ezeket a cseppeket az ütközés és örvényhatás miatt kialakuló deformáció miatt nem közelíthettük gömbszimmetrikus feltételezéssel, mivel a torz cseppek még szabad szemmel is láthatóak voltak. Ezáltal, a fentiekben összefoglaltak következményeként 5

a hiteles mérések kivitelezése lehetetlenné vált. Ennek érdekében úgy döntöttünk, hogy a keverőcsatorna eltávolításra kerül a mérés sikerességének érdekében, így vizsgálhatóvá váltak a fúvóka után kialakuló porlasztási viszonyok. Az égő utómunkálatait esztergapadon kivitelezett vágással valósítottuk meg. A B 3. ábra: Koncentrikusságvizsgálat összehasonlítása az A és B jelű porlaszók esetében A keverőcsatorna nélküli kialakítás mellett végzet mérések sorozatából megállapítható volt, hogy az eddig jelentkező problémák döntő többsége eltűnt. Ennek ellenére minimális jelleggel még mindig jellemző volt a permetre az aszimmetrikus viselkedés, amelyet a radiális sebességeloszlások is alátámasztottak. Azonban ezen nézőpont szerinti kiértékelések nem kerültek bemutatásra a dolgozatban, mivel ennél több lényegi információtartalmat nem hordoznak a mérési eredményekből származtatott karakterisztikák. Ebből kifolyólag tükörreflexes kamerával koncentrikusság vizsgálatot végeztük a két égőre, melynek eredményeit a 3. ábra tartalmazza. A koncentrikusság vizsgálat alapján megállapítható volt, hogy a B jelű égő kialakítása kedvezőtlenebb, mivel itt a tökéletesen koncentrikus kialakítás nem teljesül, így egyértelműen érthetővé vált a két vizsgálati esetben tapasztalt aszimmetrikus viselkedés. Ennek ellenére az A jelű égő esetében szemmel látható, hogy a kialakítás jelentős mértékben közelebb esik a koncentrikus megvalósításhoz, amelyet az előmérések során kapott eredmények is alátámasztottak. Így ennek függvényében, a levegő segédközeges porlasztó vizsgálatára irányuló elemzéseinket az A jelű égőre fókuszálva végeztük el. 6

2.1. A porlasztás elméleti áttekintése A folyadék állapotú permet képződése a következő egymást követő három szakaszból tevődik össze [9]. 1) A folyadéksugár áramlási térbe kerülése: A fúvóka kilépő nyílásán, a beállított tüzelőanyag-áramnak megfelelő mennyiségű folyadéksugár távozik. 2) Primer porlasztási mechanizmus: A folyadéksugárból a porlasztóközeg darabokat szakít le, amelyek még relatíve nagynak tekinthetőek. 3) Szekunder porlasztási mechanizmus: A kialakuló darabokat a porlasztó szabadsugár még tovább tudja aprózni, melynek eredményeképp létrejönnek az egyedi cseppek. Az áramlási tér korai szakaszában már olyan folyadékszalagok realizálhatóak, melyek a folyadék felbomlásának kezdetét (primer porlasztási mechanizmus) jelképezik. A permetképződés köztes folyamata kiemelt szerepet kap, mivel megteremti a kapcsolatot a porlasztóból való kiáramlás és a permet végső formája között. A permetet általánosságban úgy definiáljuk, mint az egyedi folyadékcseppek és az azt körülvevő gázfázis közös áramlásából kialakuló tüzelőanyag-levegő keveréke. Minden egyes csepp saját átmérővel és sebességgel rendelkezik, melyek ütközhetnek és akár össze is olvadhatnak más cseppekkel. Így tehát a permet karakterisztikáját összességében a cseppek méret szerinti eloszlása, sebessége, sűrűsége, térbeli eloszlása és hőmérséklete jellemzi [9]. A folyékony tüzelőanyag és az azt körülvevő gáz fázis interakciójának eredményeként a folyadéksugár gyors aprózódása figyelhető meg. Ahogy a folyadék megjelenik a porlasztó kilépőnyílásánál, deformációk jelennek meg a folyadék határfelületén. Ezek térben és időben folyamatosan nőnek, aminek következményeként folyadékszalagok képződnek a fő áramlás mentén. Tehát, a kezdeti áramlásban kialakuló deformációk és azt ezt követő folyadékszalagok képződésének összessége definiálja a primer porlasztási mechanizmust. Az ezt követő szakaszban a képződött folyadékszalagok torzulhatnak és széteshetnek kisebb darabokra, egészen addig, amíg ezek az elemek stabil cseppekké nem alakulnak. Ezek kialakulásának alapvető feltétele, hogy a felületi feszültségből származó erők elég erősek legyenek ahhoz, hogy megtörjék a folyadékszalagok kohézióját, így ez a lépés írja le a szekunder porlasztási mechanizmust. Az egyes szakaszok mechanizmusai erősen függnek a folyadék és a porlasztóközeg impulzuserejétől, tehát ezzel analóg módon az alkalmazott porlasztónyomástól. Alacsonyabb kinetikus energia esetén a primer porlasztási mechanizmus során 7

nagyobb folyadékszalagok keletkeznek, amely a szekunder mechanizmusra vonatkozóan nagyobb cseppek keletkezésével jár. Azonban nagyobb energia bevezetése esetén a szekunder porlasztási mechanizmus veszi át a dominánsabb szerepet, így kisebb cseppek érhetőek el magasabb porlasztónyomás alkalmazása mellett. 4. ábra: A tipikus felosztási szisztéma szerint alkalmazott stabilitási görbe [9] A hengeres fúvókák által előállított folyadéksugarat a koncentrikus belső csatornán keresztül kényszerítve állítják elő. Számos megfigyelt aprózódási mechanizmus a folyadéksugár sebességének függvényében változásokat produkál. A hengeres szabadsugarak felbomlási mechanizmusának leggyakrabban alkalmazott kategorizálására érdemes ábrázolni a szabadsugár felbomlásának hosszát (LBU) az 8

átlagosan kialakuló sebesség (UL) függvényében, amit általában a szabadsugár stabilitási görbéjének neveznek [9]. A tipikusan megvalósuló stabilitási görbe vázlatos formája a 4. ábrán látható. Egyes irodalmi források szerint a görbét öt bomlási szakaszra szokás bontani, amelyek a következőek [9]: 1) Csöpögő szakasz (A) 2) Rayleigh szakasz (B) 3) Elsődleges áramlásindukált szakasz (C) 4) Másodlagos áramlásindukált szakasz (D) 5) Porlasztási szakasz (E) A rendelkezésre álló irodalmi háttéranyagok alapján belátható, hogy a primer porlasztási mechanizmus vizsgálata nehézkés és nem egyértelmű. Az egyes irodalmi háttéranyagokban elvégzett PDA mérések eredményei szerint a kialakuló permet karakterisztikája hasonlóságot mutat az x/d=5 tartományon, ami azt mutatja, hogy a folyadék felszakadásának többsége a fúvókához közeli régióban valósul meg [10]. Ennek részletesebb detektálására mikroszkopikus nagysebességű kamera alkalmazása válik célszerűvé. A kamera mennyiségi információkat szolgáltathat a folyadék felszakadásának struktúrájáról, amivel vizsgálhatóvá válik a folyamatosan felszakadozó folyadéksugár fizikai tulajdonsága. Egy kiváló minőségű szemléltető példát szolgáltat számunkra az irodalom, ahol hosszú szénláncú biodesel porlasztási folyamata került vizsgálat alá két különböző folyadéksugár sebesség mellett. A kamera által szolgáltatott képek bemutatása az 5. ábrán látható, ahol az egyes képkockák balról jobbra haladva, a kamera által beállított időlépések sorozatában készített eredményeket prezentálja [10]. 64 m/s 74 m/s 5. ábra: A kilépés közvetlen közelében detektált porlasztási momentumok [10] 9

2.2. A levegő segédközeges porlasztó bemutatása A levegő segédközeges porlasztó típust a 60-as évek elején fejlesztették ki főként a nyomásporlasztók helyettesítésének érdekében [11]. Ennek egyik fő oka, hogy a nyomásporlasztókat keskenyebb üzemi tartomány jellemezte, mivel a minimális és maximális tömegáram egy örvénykamrás porlasztóban sokkal közelebb esik egymáshoz, mint a segédközeges porlasztók esetében [12]. Továbbá a nyomásporlasztók esetében a fúvóka közvetlen közelében túl nagy a tüzelőanyag koncentrációja, amely fokozott koromképződéshez vezethet [2]. Ezért, a levegő segédközeges porlasztók kiszorították a nyomásporlasztókat a gázturbinás egységek egyes alkalmazási területein. A levegő segédközeges porlasztók a terhelési állapotok széles skáláján alkalmazhatóak, mivel a porlasztáshoz szükséges relatív sebességet a kompresszorból érkező nagysebességű levegő biztosítja, míg emellett a tüzelőanyag sebessége továbbra is relatíve alacsony marad [4]. A terhelési állapot növekedésével a levegő sebessége alkalmazkodó viselkedést produkál. Továbbá, ezt a porlasztó típust széles körben, előszeretettel alkalmazzák a kohászatban azon belül is főként a metallurgiában, ahol a fémek ércekből való kinyerésével foglalkoznak fémpor termelésére, ipari tüzelőberendezésekben és bevonatok készítésére [11]. B 6. ábra: Capstone C-30 esetén alkalmazott levegő segédközeges porlasztó A működési elvének értelmében a nagy sebességű levegő kinetikus energiája adódik át folyadéksugárnak, ami a tüzelőanyag cseppekre bomlásához vezet. Ezzel kapcsolatosan megállapítható, hogy minél nagyobb az átadott energia mennyisége azaz minél nagyobb a levegő sebessége annál finomabb permetet érhetünk el [12]. 10

A Capstone C-30-ban általánosan alkalmazott levegő segédközeges porlasztó valós képe a 6. ábrán látható, míg a 7. ábrán a mérés során alkalmazott porlasztó látható, amely működési elvét tekintve megegyezik a 6. ábrán láthatóval, azzal a kiegészítéssel, hogy ez a konstrukció indító égőként funkcionál. A 7. ábra: A vizsgálatok során alkalmazott (A) porlasztó oldalnézete A 6. ábrán látható égő esetében látható a korábban említett problémát okozó keverőcsatorna, amely végül nem került eltávolításra a koncentrikusság vizsgálatból fakadó eredmények miatt, mivel a B jelű égő további vizsgálatát elvetettük. Az alap konstrukciós kialakítás értelmében a keverőcsatornán elhelyezett furatok lehetőséget biztosítanak a szekunder levegő alkalmazására, azonban ez csak üzemi körülmények között jelent előnyt. A 7. és 8. ábrán látható égő már a keverőcsatorna eltávolítása utáni esetet prezentálja, amellyel lehetőségünk volt szabad áramlási körülmények között vizsgálni a porlasztási viszonyokat. A 8. ábra: A vizsgálatok során alkalmazott (A) porlasztó előlnézete 11

2.3. Félempirikus matematikai modell az SMD meghatározásához A következőekben az SMD analitikus úton történő meghatározásához szükséges félempirikus összefüggés kerül bemutatásra, amely kifejezetten a levegő segédközeges porlasztókra lettek kifejlesztve [12]. Az egyenlet alapján paraméteranalízis végezhető, amely segítségével meghatározhatóak a legdominánsabb befolyásoló tényezők. Ez alapján megállapítható, hogy a porlasztónyomás növekedése mellett az SMD értéke jelentős mértékű csökkenést produkál, aminek szemléltetése a 9. ábrán látható. A levegő segédközeges porlasztók működését azonban számos további paraméter is befolyásolja, így a befolyásoló tényezők változásából fakadó hatások vizsgálata célszerű, hogy átfogóbb képet kapjunk arról, hogy mely paraméterek befolyásolják jelentős mértékben az SMD értékét. SMD = 3,33 10 3 [ σ ρ fuel D ρ 2 air u 2 ]0,5 [1 + m fuel ] + 13 10 3 [ μ fuel air m air 0,425 ] σ ρ fuel D 0,575 [1 + m fuel ] 2 (1) m air SMD = A [1 + m fuel m air ] + B [1 + m fuel ] 2 (2) A 9. ábrán az 1. egyenlethez és ezzel ekvivalens 2. egyenlethez jelentős mértékben hasonló összefüggés alapján származtatott SMD értékek láthatóak a porlasztónyomás függvényében, amely egy előzetes várakozásnak is megfelel a mérések kimenetelére vonatkozóan [12]. m air 9. ábra: Az elméleti ismeretek alapján várható SMD változás a porlasztónyomás függvényében [13] 12

A paraméteranalízisből kapott eredmények alapján öt megállapítás tehető a vizsgált jellemzők Sauter középátmérőjére (SMD) vonatkozóan, melyek a következőek [14]: 1. A felületi feszültség fokozatos csökkenésével jelentős mértékben csökkenthető a térfogati-felületi közepes cseppek átmérője. 2. A folyadékfázisú tüzelőanyag sűrűségének csökkenése, az SMD érték kismértékű csökkenését eredményezi. 3. Az alkalmazott porlasztóközeg sűrűségének növekedése mellett nagymértékű SMD csökkenést figyelhetünk meg. 4. A tüzelőanyag tömegáramának növekedése a térfogati-felületi közepes cseppátmérők fokozatos növekedését vonja maga után. 5. A porlasztóközeg tömegáramának növelésével kiemelkedően nagy jelentőséggel bíró cseppméret csökkenést figyelhetünk meg a vizsgálati tartományunkon. 2.4. Alkalmazott tüzelőanyag bemutatása A vizsgálataink során alkalmazott tüzelőanyag típusa standard diesel (EN 590) volt. Ennek fő oka, hogy széles körben kerül alkalmazásra a hétköznapokban, illetve egyes ipari alkalmazások területén is. Az 1. táblázatban néhány, számunkra releváns tüzelőanyag fizikai tulajdonságai kerültek összegyűjtésre. Tüzelőanyag Forrási tartomány [ C] Sűrűség [g/cm 3 ] Viszkozitás [cst] 1 Standard diesel 145 370 0.82 0.86 1.9 4.1 Biodiesel 165 180 0.86 0.90 3.5 5.0 Jet (A-1) 120 290 0.775 0.840 1.5 5.0 Fischer Tropsch Diesel 124 374 0.768 1.981 1. táblázat: A releváns tüzelőanyagok fizikai tulajdonságainak összefoglalása [15] A viszkozitás mérés egyik alkalmas módszere a Hagen-Poiseuille törvényen alapszik. A módszer alkalmazásához leggyakrabban Ostwald-féle viszkozimétert használunk. A folyadékfürdőben elhelyezett viszkoziméternél a vizsgált folyadékot a 1 A kinematikai viszkozitás egysége a Stokes, melyet George Gabriel Stokesról neveztek el, viszont a mérnöki gyakorlatban a centistokes használata terjedt el, amely a Stokes századrészeként értelmezhető. 13

készülék kapilláris szárú ágában levő gömbbe az A jel fölé szívjuk, majd mérjük azt az időt, amely alatt a folyadék szintje a kapillárison nyomáskülönbség hatására az A jeltől a gömb alatti B jelig süllyed. A mérés kivitelezéséhez felhasznált viszkoziméter sematikus rajza a 10. ábrán látható [16]. 10. ábra: A viszkoziméter sematikus rajza Az alkalmazott tüzelőanyag vizsgálatát tehát ennek függvényében az előbbiekben ismertetett mérési elven végeztük el, amelynek szemléltetése a 11. ábrán látható. A tüzelőanyag sűrűségének meghatározására Coriolis tömegáram mérő berendezést alkalmaztunk, amely valós időben mérte a tüzelőanyag sűrűségét. 11. ábra: Az alkalmazott tüzelőanyag viszkoziméterrel történő mérése 14

Jellemző Mért érték Viszkozitás 3.5 mm 2 /s Sűrűség 0.825 g/cm 3 2. táblázat: Az alkalmazott tüzelőanyag fizikai paramétereire vonatkozó mérések eredményei Az egyes folyékony tüzelőanyagok esetében több helyen is problémaként merült fel a viszkozitás kérdése. Sok esetben a tüzelőanyag felhasználhatóságát nagymértékben befolyásolja a viszkozitása, mely a folyadékokban a belső folyadékrétegek egymáshoz képest való elcsúszásánál fellépő súrlódás jellegű mozgást gátló ellenállás, így ennek fokozottan megnövekedett értéke problémákat okozhat. Ezért, számos megoldás született arra, hogy ennek nagyságát mérsékeljék. A 4 fő viszkozitást csökkentő eljárás az irodalom alapján [1], [14]. 1) Melegítés: A szilárd zsírok megolvadnak hő hatására, ezért célszerű előmelegítőt alkalmazni az üzemanyag rendszerben a porlasztó fúvókája előtt. 2) Hígítás/Keverés: Különböző viszkozitású anyagok összekeverése elősegíti a viszkozitás csökkenését. 3) Vízemulgeálás: Az az eljárás, amikor a víz és az olaj összekeverése a porlasztó fúvókája előtt megtörténik. A vízcseppeket makroszkopikus szinten olajfilm borítja. A víz légköri nyomáson és 100 C-on elpárolog, de figyelembe kell venni, hogy az égőtérben nagyobb nyomásértékek uralkodnak, ami maga után vonja, hogy magasabb hőmérsékletértéken fognak elpárologni az égőtérbe juttatott vízcseppek. Az elpárolgást követően a vízgőz térfogata három nagyságrenddel nagyobb, mint az olajfilmé, ezért ami eddig a vízcseppet borította finom olajcseppekre szakad. Ezzel mérsékelhetőek a párolgással és a viszkozitással kapcsolatosan felmerülő problémák. 4) Át-észterezés: Az a folyamat, ahol a zsírsavakat elválasztjuk a glicerintől az által, hogy kicseréljük a glicerint például metánra vagy etánra. Ezáltal létrehozva a FAME t (Fatty Acid Metyl Ester), közismertebb nevén a biodieselt. Ennek a karakterisztikája nagymértékben hasonló az adalékolatlan dieselhez. A legnagyobb különbség általában az, hogy kevesebb kéntartalommal rendelkezik. A folyamat egyik hátránya, hogy extra költségekkel jár, mert a kezeléséhez szükséges kémiai folyamathoz hőbevezetésre van szükség, de a hosszabb távú vizsgálatok azt mutatják, hogy mégis ez tűnik a legalkalmasabb előállítási módszernek a fosszilis eredetű dízelolaj kiváltására. 15

2.5. A kialakított mérőkör bemutatása A mérés sikerességének érdekében gondosan kivitelezett mérőkör kialakítására volt szükségünk. Ennek érdekében feltérképeztük a várható mérési tartományainkat és alakítottuk ki a mérőkört, melynek sematikus rajza a 12. ábrán látható. Ezt célszerűen érdemes három részre osztani. Az első részét képzi a levegő oldali kialakítás, amely relatíve magas nyomású hálózati levegőrendszerről került üzemeltetésre. Ezen az ágon két tömegáram mérő is elhelyezésre került a mérés pontosságának és validációjának érdekében. Az ezt követő szakaszon nyomástávadó beépítését végeztük el, amely egy digitális kijelzővel ellátott konstrukció volt. Ez azért volt kedvező kialakítás számunkra, mert a porlasztóközeg nyomását manuálisan állítottuk be az aktuális mérési pontoknak megfelelően. 12. ábra: A kialakított mérőkör sematikus rajza A nyomástávadó után nyomásszabályozó szelep került beépítésre a nyomás stabilizálásának érdekében. Továbbá a porlasztóhoz való csatlakozás előtt PT100-as termoelem került alkalmazásra a belépő levegő hőmérsékletének mérésére. A másik ágat a tüzelőanyag bevezetése képviselte, amelyet ugyancsak hálózati levegőrendszerrel üzemeltettünk. A tüzelőanyag átmeneti tárolására egy mérőórával ellátott tartály került alkalmazásra. Itt érdemes megemlíteni, hogy az ebben uralkodó nyomás értékét célszerű volt relatíve alacsony értéken tartani, mivel így a 16

tüzelőanyag ágon következő tömegáram szabályozó működése kezelhetőbbé vált, így százados pontossággal beállíthatóvá vált a kívánt tüzelőanyag tömegárama. A tüzelőanyag tömegáramának megválasztását az égő maximális teljesítményének 40 %-ából származtattuk, mely a mérések során állandó értéket képviselt. A tömegáram szabályozó szelep után található a Coriolis tömegáram mérő, ahol digitális kijelző segítségével ellenőriztük a ténylegesen beállított tüzelőanyag tömegáramát. Továbbá, ez a berendezés lehetőséget biztosított számunkra a tüzelőanyag sűrűségének valós idejű mérésére is, így az adatfeldolgozó egységek segítségével rendkívül pontos értéket kaphattunk az átlagolások eredményeképp. A 3. táblázat tartalmazza a mérés során felhasznált releváns mérőeszközöket és segédberendezéseket. Megnevezés Típus Tulajdonság Bizonytalanság SPECTRA PHYSICS Stabilite Series Laser Beam Specifications Stabilite 2017 Specifications Current mode: 17,5 A - OMEGA gyártmányú levegő tömegáram mérő Sierra gyártmányú levegő tömegáram mérő 1. nyomástávadó BD Sensor 2. nyomástávadó BD Sensor FMA Series FMA-A2117 ±1% Smart-Trak 2 Series 100 ±0.5% 0-35 bar; 4-20 ma 0-17 bar, 4-20 ma ±0.35% ±0.35% Tüzelőanyag tartály Porral oltó tartály 20 l - Coriolis tüzelőanyag tömegáram mérő Siemens Dantec Dynamic gyártmányú Fázis Doppler Anemométer DELL Precision gyártmányú kiértékelő számítógép SITRANS F C MASS 2100 Fiber Flow Mozgatótraverz - Tüzelőanyag sűrűségének mérése Cseppek méretének mérése T1600 - - X, Y, Z irányú pozícionálás - - ±5% 3. táblázat: A mérés során felhasznált mérő- és segédberendezések összefoglalása 17

A harmadik ágat, amely a méréseink lényegi részét biztosította a lézeroptikai elven működő Fázis Doppler Anemométer és a segédberendezései alkották. Ennek részletesebb ismertetésére a 2.6 fejezetben kerül sor. 2.6. A Fázis Doppler Anemométer (PDA) bemutatása A Fázis Doppler Anemométer (PDA) egy lézeroptikai elven működő mérőberendezés, amely egyedi gömbszimmetrikus részecskék méretének és sebességének folyamatos jellegű mérésére hivatott. Ezek a részecskék lehetnek cseppek, buborékok és akár szilárd részecskék is [17]. A berendezés lehetővé teszi az áramló részecskék részletes elemzését a lézersugarak által kialakított interferencia csíkrendszer segítségével. Megvalósítható az egyedi cseppekre jellemző méret és sebesség statisztikai eloszlásának mérése az áramlási térben. Továbbá, lehetőségünk van akár a részecskék koncentrációjának széleskörű elemzésére is [17]. A PDA egyfajta kiterjesztése a Lézer Doppler Anemométernek (LDA), azzal a kiegészítéssel, hogy a PDA képes a részecskék sebességén felül a méretüket is meghatározni. 13. ábra: Fényszórás általános jelensége gömbszimmetrikus felületen [17] Alapjait a fényszórás jelensége adja, ami sugárkövetéssel láthatóvá tehető. A fénysugár, amely találkozik a folyadékcseppel, részben visszaverődik a felszínről, részben pedig továbbhalad és megtörik. A jelenség grafikus értelmezését a 13. ábra 18

tartalmazza. A fényszórás intenzitása nem tekinthető egységesnek minden irányba és sok esetben függ a relatív törési indextől is, amely a (3) egyenletben kerül tárgyalásra. n rel = n részecske n közeg (3) Az általunk alkalmazott PDA mérőberendezés sematikus rajza a 14. ábrán látható. 14. ábra: A Fázis Doppler Anemométer általánosított, sematikus rajza A mérések során a Fázis Doppler Anemométer (PDA) 20.000 minta összegyűjtésére volt korlátozva. Azonban a permet egyes profiljainak határánál ennyi minta összegyűjtésé sok időt vett volna igénybe, mivel a permet magjától koncentrikusan távolodva egyre kevesebb folyadékcsepp tapasztalható. Így, ennek értelmében időkorláthoz is kötöttük a kitűzött mintavételezést, amit 15 másodpercben határoztunk meg. Tehát, ha ennyi idő alatt nem gyűjtötte be a 20.000 mintát, akkor a traverz mozgatórendszer a következő mérési pontba került és a mérés folytatódott. Ennek értelmében az egyes mérési pontok és ezekből összeálló mérési profilok validációs rátája eltéréseket mutathat. Továbbá, a rendszer a kapott jelekből képes gömbszimmetrikusságot vizsgáló validációs mutatót is generálni, ami az elméleti ismeretekre alapozva főként a primer porlasztási szakaszban és a permet magjában mutathat alacsonyabb értékeket. 19

3. A mérési eredmények kiértékelése A mérések során a fő céljaink közé tartozott, hogy legalább négy különböző axiális távolságban is méréseket tudjunk végezni a permet karakterisztikájának teljes körű feltérképezésének érdekében. Az alapkoncepció értelmében a vizsgálat alá kerülő négy profil távolságát úgy próbáltuk beállítani, hogy azok minél közelebb kerüljenek a porlasztóból való kilépéshez. Azonban a kilépéstől számított 10 mm-es távolságon belül nem tudunk méréseket kivitelezni a rendkívüli mértékben megnövekedett sebességviszonyok miatt, mivel elértük a rendszer által maximálisan mérhető sebesség határát, amely kb. 300 m/s [17]. Vélhetően az is gondot okozott a 10 mm-es határon belüli mérés során, hogy a primer porlasztási folyamat még nem fejeződött be. Ez azt eredményezte, hogy ebben a régióban túl sűrű volt a permet ahhoz, hogy a lézeroptikai elven működő mérőműszer valós eredményeket tudjon szolgáltatni, amit az is alátámaszt, hogy a validációs ráta, jelentős mértékben lecsökkent. Ennek függvényében a profilok axiális távolságának meghatározásánál szem előtt tartottuk a PDA mérőberendezésünk működési határait, így két mérési pontunk a kilépés közelében helyezkedik el, míg két mérési pontunk a fúvókától valamivel távolabbi pontban. A 3. profil axiális távolsága az égő átmérője. A vizsgálat alá kerülő profilok mérési paramétereit a 4. táblázat tartalmazza. Profil Axiális távolság [mm] Mérési pontok száma [db] Lépésköz [mm] 1. 10 13 1 2. 15 13 1 3. 26,7 13 2 4. 50 15 2 4. táblázat: A vizsgálat alá kerülő profilok mintavételezési pontjai A porlasztónyomás mérési tartományának és az azon belüli mérési pontok meghatározásánál figyelembe vettük az égő általában alkalmazott üzemeltetési tartományát. Így, ennek függvényében a mérési pontok kiválasztásánál besűrítettük a mérési pontokat 0.3 és 1 bar között, míg az ennél nagyobb értékeknél elegendőnek éreztük a nagyobb lépésköz alkalmazását. A mérés során alkalmazott porlasztónyomásokat az 5. táblázat tartalmazza. 20

Tüzelőanyag tömegárama [kg/h] 1.26 Segédközeg nyomása [bar] 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.6 2.1 2.6 3.1 5. táblázat: Az elemzés alá kerülő porlasztónyomások 3.1. Axiális sebességeloszlások értékelése A kiértékeléseink egyik fő irányvonalának értelmében az egyes profilokban kialakuló axiális sebességek eloszlásának bemutatása két szemléltető példán keresztül történik. Mivel a kiértékelt négy profil közül a sebességek eloszlása hasonló trendeket mutatott, így elegendőnek tartottuk a két szélsőséges helyzet vizsgálatát. Ennek értelmében az egyik, axiális sebességeloszlás szempontjából vizsgálat alá kerülő profilt a fúvókához legközelebbi (Z=10 mm) eset szolgáltatta, melynek eredményeit a 15. ábra tartalmazza. A kialakult sebességek eloszlása prezentálja számunkra, hogy a permet magjában sebességcsúcsokat diagnosztizálhatunk minden egyes porlasztónyomás esetén, amely a fúvókától távolabbi profilok esetében is érvényesül. Megfigyelhető továbbá, hogy a fúvókához legközelebb eső profil esetén nem teljesen egyértelmű a sebességcsúcs kialakulása, amely főként a nagyobb porlasztónyomások esetében jelentkezik. Ennek fő okai közé tartozik, hogy a profil által meghatározott vizsgálati tartományban a kialakuló axiális sebességek olyan jelentős mértékű növekedést produkáltak, melyet a PDA már nem volt képes megfelelő minőségben detektálni. Továbbá, a szuperszonikus áramlási viszonyok mellett kialakuló permet a fúvóka közvetlen közelében sokkal sűrűbb jelleget képviselt a szubszonikus áramlási viszonyokkal összehasonlítva, amely már nem felet meg a PDA mérés sikeres kivitelezésére hivatott feltételnek, miszerint kellően ritkás permet szükséges a megfelelő minőségű mérés abszolválásához. 21

Axiális sebesség [m/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével 225 200 175 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar 150 125 100 75 50 25 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 15. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló axiális sebességeloszlások (Z=10 mm) Mivel a kialakuló permet alakja nagymértékben függ az alkalmazott porlasztónyomás értékétől, így ebben a fejezetben kerülnek bemutatásra a kialakult permet formájáról készített fényképek. A szubszonikus és szuperszonikus áramlási mező összehasonlítása az 16. ábrán látható, melyet tükörreflexes kamera és sötét háttér együttes alkalmazásával készítettünk el. A 16. ábrán bemutatott permetképek 1.1 bar (bal) és 2.6 bar (jobb) porlasztónyomás alkalmazása mellett kerültek rögzítésre. Továbbá, a 17. ábrán két szubszonikus eset is bemutatásra kerül, amely összevethető a 16. ábrán bemutatott magasabb porlasztónyomáson kialakuló permet formációkkal. A készített fényképek alapján megállapítható, hogy magasabb porlasztónyomások alkalmazása esetén a fúvókához közelebb eső szakaszok vizsgálata nehezebb, mivel a permet sűrű szakaszának hossza megnövekedik, amely megnehezíti a méréseket. További problémát okoz a permet kezdeti szakaszán a jóval vékonyabb formában megjelenő tüzelőanyag-levegő keverékének kezdetleges interakciója, ahol jelentős mértékű kinetikus energianövekményt tapasztalhatunk a négyzetes összefüggés miatt. További szemléltető példát mutat a 18. ábrán bemutatott három porlasztónyomás esetének együttes vizsgálata. Az egymás mellé helyezett permetképek alapján megállapítható, hogy a kisebb nyomásértékektől a nagyobb porlasztónyomás felé haladva folyamatos jellegű csökkenést tapasztalhatunk a kialakuló porlasztási kúp átmérőjében. 22

[mm] 25 50 75 100 1.1 bar 2.6 bar 16. ábra: A kialakuló permetképek 1.1 és 2.6 bar porlasztónymás esetében [mm] 25 50 75 100 0.5 bar 0.9 bar 17. ábra: A kialakuló permetképek 0.5 és 0.9 bar porlasztónyomás esetében 23

Axiális sebesség [m/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével 18. ábra: A mérési tartomány három jellegzetes permetképének bemutatása Az axiális sebesség eloszlásának másik kiértékelt esete a fúvókától legtávolabb eső (Z=50 mm) vizsgálat alá kerülő profil, melynek eredményeit a 19. ábra tartalmazza. Az eredmények alapján megállapítható, hogy a legtávolabbi eset vizsgálatnál a sebességcsúcsok egyértelműen a permet magjában helyezkednek el. A kialakuló sebességek értéke ekkora már olyan mértékben lecsökkent és az áramlási térben kialakuló permet oly mértékben stabilizálódott, hogy rendkívül magas az egyes pontokban 70%-ot meghaladó validációs rátával rendelkező, jó minőségű mérés vált kivitelezhetővé. 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 80 70 60 50 40 30 20 10 0-15 -13-11 -9-7 -5-3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 Középpontól mért távolság [mm] 19. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló axiális sebességeloszlások (Z=50 mm) 24

Axiális sebesség [m/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével Az axiális sebességeloszlások kiértékelésének összefoglalásaként érdemes elemzéseket végezni a vizsgálat alá kerülő profilok azonos porlasztónyomás melletti eseteire. A kiértékelt eredmények alapján, nyomon követhetővé válik a sebességek változása az egyes fúvókától mért távolságokban. Így, összehasonlítva egy általános szabadsugár egyes profiljaiban megvalósuló sebességeloszlásokkal, hasonlóságot tapasztalunk. Továbbá, szemléltető képet ad a sebességek nagyságrendjének kategorizálásában, amely összefüggésben van a PDA mérések validációs rátájával. Az azonos porlasztónyomás szerinti kiértékeléseket két eltérő esetre végeztük el, melynek eredményeit a 20. és 21. ábra tartalmazza. 0.5 bar; Z=15 mm 0.5 bar; Z=10 mm 0.5 bar; Z=50 mm 0.5 bar; Z=26,7 mm 80 70 60 50 40 30 20 10 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 20. ábra: Axiális profilok vizsgálata az axiális sebesség változásának szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (0.5 bar) Az eredmények alapján 0.5 bar porlasztónyomás esetében az egyes profilokban kialakuló sebességcsúcsok egyértelműen diagnosztizálhatóak, ami abból fakad, hogy a kialakuló sebességek maximális értékeinek egyike sem haladja meg a 100 m/s-ot. Továbbá megfigyelhető, hogy a két szélsőséges állapotban realizálható sebességcsúcs közel másfélszeres eltérést produkál. A fúvókától legtávolabbi (Z=50 mm) esetben a sebességek oly mértékben lecsökennek, hogy a fúvókától távolabbi eset vizsgálata egyértelműen elvetendő. A 2.1 bar porlasztónyomás mellett végzett kiértékeléseknél megfigyelhető, hogy a maximális sebesség értéke már megközelíti a 170 m/s-os 25

Axiális sebesség [m/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével értéket. Továbbá a két szélsőséges eset között diagnosztizálható sebességcsúcs összehasonlításában háromszoros eltérés tapasztalható. 2.1 bar; Z=15 mm 2.1 bar; Z=10 mm 2.1 bar; Z=50 mm 2.1 bar; Z=26,7 mm 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 21. ábra: Axiális profilok vizsgálata az axiális sebesség változásának szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (2.1 bar) 3.2. Sauter középátmérő (SMD) eloszlásának értékelése A Fázis Doppler Anemométer (PDA) használatának köszönhetően lehetőségünk volt a permetben jelen lévő cseppek átlagos vizsgálatára, melyek jellemzésére a Sauter középátmérő (SMD) nyújtja a legjobb lehetőséget. Az SMD egy olyan skalárjellemző, amely a permetben lévő cseppek átlagos térfogat és felület viszonyával egyezik meg. Számtalan félempirikus összefüggés áll rendelkezésünkre, annak érdekében, hogy a csepp közepes átmérőjének értéke becsülhető legyen a porlasztóból való kilépéskor, azonban egyik sem nyújt tökéletes információt a közelítő jellege miatt. Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére célszerű alkalmazni a PDA mérőberendezést, amely valós időben detektálja a porlasztóból kilépő, csepphalmazra jellemző SMD értékét. 26

Sauter középátmérő[ m] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével A kiértékelések az összes profilban minden egyes alkalmazott porlasztónyomás esetére elvégzésre kerültek, mivel a különböző vizsgálati tartományokban különböző jellegzetességek fedezhetőek fel. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar -6-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 22. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=10 mm) A 22. ábrán látható eredmények a fúvókához legközelebbi (Z=10 mm) esetet tartalmazzák, ahol megállapítható, hogy a permet belsejében lévő SMD értékek többsége közel kétszer akkorára adódik, mint a permet határán, amely jellegzetesség főként a magasabb porlasztónyomások esetében tapasztalható. A profilban elhelyezkedő mérési pontok alapján egy gyűrűs porlasztási szerkezet fedezhető fel, melynek értelmében az esetek jelentős többségében a legkisebb SMD értékek a permet magja és határoló felülete közötti tartományban helyezkednek el. Ez alól kivételt képeznek az erősen szuperszonikus áramlási viszonyok mellett történő vizsgálatok, ahol a minimumértékek a permet határán helyezkednek el. A 23. ábrán látható eredmények továbbra is a fúvóka közelében értendőek, azonban a vizsgált profil minimális mértékben távolabb (Z=15 mm) helyezkedik el a 22. ábrán vizsgált esettől. Ebben az esetben is hasonló megállapításokat tehetünk, mint az előző esetben, mivel a két eset közötti távolság mértéke nem tekinthető olyan mértékűnek, melytől jelentős mértékű változást várnánk. Azonban, az áramlási térben történő vizsgáltok során megállapítható, hogy a szubszonikus áramlási viszonyok mellett az SMD értékek egy részének minimumhelye a permet magjában, 27

Sauter középátmérő [ m] Sauter középátmérő [ m] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével míg másik része a köztes zónában helyezkedik el. A magasabb porlasztónyomások esetében az SMD értékek minimumhelyei a 22. ábrán bemutatott esethez hasonlóan helyezkednek el. 35 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar 30 25 20 15 10 5 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 23. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=15 mm) 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar 35 32 29 26 23 20 17 14 11 8 5 2-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Középponttól mért távolság [mm] 24. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=26.7 mm) 28

Sauter középátmérő [ m] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével A 24. ábrán látható eredmények a fúvókától már jelentősebb mértékben eltávolodott (Z=26.7 mm) eset vizsgálatát prezentálják. Az eredmények teljes mértékben ellentétes karakterisztikát produkálnak a 22. és 23. ábrán vizsgáltakhoz képest. Az elemzések alapján belátható, hogy a fúvókától távolodva fokozatosan egyre kisebb SMD értékeket detektálhatunk. Azonban ebben az esetben a permet határán lesz közel kétszer akkora az SMD, mint a permet magjában. Az előbb leírt jelenség főként a szubszonikus áramlási viszonyokra jellemző, mivel az egyre nagyobb porlasztónyomások esetében a két jellegzetes pozícióban megvalósuló SMD értékének viszonyszáma folyamatos jellegű csökkenést produkál. Továbbá, megfigyelhető, hogy a legmagasabb porlasztónyomások alkalmazásának esetében az SMD értéke az összes profil vizsgálata során a permet magjában veszi fel a maximumát. 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 37 34 31 28 25 22 19 16 13 10 7 4-15 -13-11 -9-7 -5-3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 Középponttól mért távolság [mm] 25. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=50 mm) A 25. ábrán látható eredmények a fúvókától legtávolabbi (Z=50 mm) eset elemzését tartalmazzák. A kapott eredmények jelentős mértékű hasonlóságot mutatnak a 24. ábra kapcsán tárgyalt összefüggésekkel, mivel az áramlási tér ezen szakaszán már a relatív sebesség kicsinek tekinthető, ezáltal a cseppek nem tudnak tovább aprózódni, így további SMD értékcsökkenés már csak csekély mértékben tapasztalható. A permet szélére kisodródó nagyobb méretű cseppek az egyes szubszonikus esetekben közel háromszor akkora SMD értéket produkáltak, mint a permet magjában elhelyezkedőek. A nagyobb porlasztónyomások esetében az egyes mérési pontokban 29

Sauter középátmérő [ m] Sauter középátmérő [ m] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével kialakuló SMD értékek vizsgálatánál már csak minimális mértékű eltérést diagnosztizálhattunk. Az előbbiekben vizsgált összes profil kiértékelése mellett célszerű bemutatni a profilok vizsgálatát azonos porlasztónyomás mellett is, melyek eredményeit a 26. és 27. ábra tartalmazza. A kiértékelési módszertan változtatásával kapott eredmények teljes mértékben alátámasztják a fejezetben eddig tárgyalt megállapításainkat. 0.5 bar; Z=15 mm 0.5 bar; Z=10 mm 0.5 bar; Z=50 mm 0.5 bar; Z=26,7 mm 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 26. ábra: Axiális profilok vizsgálata SMD változás szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (0.5 bar) 2.1 bar; Z=15 mm 2.1 bar; Z=10 mm 2.1 bar; Z=50 mm 2.1 bar; Z=26,7 mm 40 35 30 25 20 15 10 5 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 27. ábra: Axiális profilok vizsgálata SMD változás szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (2.1 bar) 30

Validációs ráta [%] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével 3.3. A mérés validációja Az elvégzett mérések sorozatához célszerű elemzéseket készíteni a mérés hitelességére vonatkozóan annak érdekében, hogy meghatározhatóvá váljanak azok a kritikus tartományok, ahol a mérési eredmények csak bizonyos fenntartásokkal kezelhetőek. A mérések hitelességének relatív mérésére a Fázis Doppler Anemométer által felkínált validációs ráta szolgál. Ez az esetek döntő többségében meghaladta a 60 %-os értéket, amely megfelelőnek mondható a mérés hitelességének szempontjából, mivel a jelentős mértékű relatív sebesség és a kisméretű cseppek összessége megnehezíti a mérés kivitelezését. A 28. ábrán látható validációs ráták változása az összes vizsgálat alá kerülő profil 0.3 bar porlasztónyomás melletti eseteire kiértékelésre került. Az eredmények alapján megállapítható, hogy a kritikus tartomány mely az összes alkalmazott porlasztónyomás esetére hasonlóságot mutatott a permet középpontjában helyezkedik el. A validációs ráták ebben az esetben akár 40 % alá is csökkenhetnek, amely már nem mondható kielégítőnek, de mivel a mérési sorozat eredményeihez megfelelő módon illeszkedik, ezért a szolgáltatott eredmények elfogadhatónak tekinthetőek. 78 0.3 bar Z= 50 mm 0.3 bar Z=26 mm 0.3 bar Z=15 mm 0.3 bar Z=10 mm 72 66 60 54 48 42 36 30-14 -12-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 Középponttól mért távolság [mm] 28. ábra: A validációs ráták alakulása különböző profilok mentén, azonos porlasztónyomás mellett (0.3 bar) Továbbá megfigyelhető a 28. ábrán, hogy jelentős validációs ráta csökkenés tapasztalható a fúvókához közelebb eső profilok vizsgálata során, mivel ezen a 31

Validációs ráta [%] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével szakaszon még jelentős lehet a porlasztóközeg és a cseppek közötti sebességkülönbség. Így a másodlagos porlasztás jelenléte egyértelműen torzítja a mérési adatokat, amely negatív hatással van a validációs rátára. A 29. ábrán az összes vizsgálat alá kerülő porlasztónyomás során tapasztalható validációs ráta változásának kiértékelése került bemutatásra 15 mm távolságra a fúvókától. A vizsgálati módszer segítségével megállapítható, hogy a porlasztónyomás fokozatos növekedésével folyamatos jellegű validációs ráta csökkenést tapasztalhatunk minden egyes mérési pontban. A maximális porlasztónyomás alkalmazása esetén a validációs ráta értéke már 20% körüli értékeket mutatott, viszont még továbbra is a mérési sorozatunkba illeszkedő, elfogadhatónak tűnő eredményeket szolgáltatott. 79 71 63 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar 55 47 39 31 23 15-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Középponttól mért távolság [mm] 29. ábra: A validációs ráták alakulása különböző porlasztónyomások mellett (Z=15 mm) A mérés validációjára vonatkozó kritikai értékeléseinket több szempont szerint is elvégezhetjük, mivel a PDA által alkalmazott szoftver több olyan paramétert is szolgáltatott számunkra, melyekből a mérések hitelessége vizsgálhatóvá vált. Ezek közé tartozik az előbbiekben bemutatott validációs ráta mellett a teoretikus modellre építő gömbszimmetrikussági arány, amely képes definiálni, hogy az adott mérési pontunkban detektált egyedi cseppek, átlagosan milyen közel esnek a gömbhöz. Továbbá, az egyes mérési pontokból származtatott mintavételezések száma és az adat ráta is a mérés hitelességének kritikai értékelését segíti. Az összefoglaló és 32

Adat ráta [1/s] Mintavételezés száma [db] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével demonstratív jelleg végett a 30. és 31. ábrán az előbbi jellemzők átlagolt értékei kerülnek bemutatásra a vizsgálat alá kerülő összes porlasztónyomás esetében. Az átlagolásokat az egyes profilokban megvalósuló összes mérési pont figyelembevételével végeztük el. 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar 30. ábra: Átlagolt mintavételezés száma különböző porlasztónyomások esetén (Z=10 mm) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar 31. ábra: Átlagolt adat ráta változása a különböző porlasztónyomások mellett (Z=10 mm) 33

Átlagolt minták száma [db] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével A 30. és 31. ábrán látható eredmények alapján megállapítható, hogy a porlasztónyomás növekedésével mind a mintavételezések száma, mind az adat ráta jelentős mértékű csökkenést produkál. Ezek alapján megállapítható, hogy validációs szempontból a legjobb eredményeket a szubszonikus áramlási viszonyok között történő vizsgálatok produkálták. Számos kiértékelést végeztük a mérés validációjára vonatkozóan, azonban ezek összefoglalását célszerű egy olyan kumulált módszerrel vizsgálni, ahol az elemzések középpontjába az egyes vizsgálat alá kerülő profilok összehasonlítása kerül. A 32. ábrán bemutatásra kerülő átlagolt mintavételezések száma az egyes profilokban az összes porlasztónyomás figyelembevétele mellett került kiértékelésre. Az eredmények jól prezentálják számunkra azt a tényt, hogy a porlasztó fúvóka közvetlen közelében a maximálisan vételezendő minták számának csupán a huszadrészét sikerült detektálni. Ezzel kapcsolatosan viszont érdemes megjegyezni, hogy a kevésnek tűnő, gyűjtött mintaszámból nem vonható le a mérés sikertelenségére vonatkozó megállapítás, viszont ezeken a tartományokon a későbbiekben, azonos peremfeltételek alkalmazása mellett célszerű összehasonlító méréseket végezni. 250000 225000 200000 175000 150000 125000 100000 75000 50000 25000 0 Átlagolt minták (Z=10 mm) Átlagolt minták (Z=15 mm) Átlagolt minták (Z=26.7 mm) Átlagolt minták (Z=50 mm) 32. ábra: Átlagolt mintavételezések száma az egyes axiális profilokban 34

3.4. Az integrált Sauter középátmérő A levegő segédközeges porlasztók által generált cseppek az áramlási térben nem egyenletesen helyezkednek el, még a fúvóka kilépő nyílásától kellő távolságban sem. Jelentős mértékű változásokat tapasztalhatunk a porlasztás tengelyére merőleges sugárirányban, melynek szemléltetése az 33. ábrán látható [6]. Az eredmények kiértékelésének és összehasonlításának érdekében célszerű válik egy olyan paraméter alkalmazása, amely globálisan jellemzi a permet minőségét. Erre a feladatra szokás alkalmazni az integrált Sauter középátmérőt (ID32), mellyel lehetőségünk nyílik a validációs eredmények figyelembevétele mellett az egyes profilokra globálisan jellemző SMD értékek meghatározására. Az alkalmazott összefüggést (4) foglalja magába, míg az egyenlet értelmezését a 6. táblázat tartalmazza [6]. 33. ábra: A permetben profiljaiban kialakuló sugárirányú változások szemléltetése [6] ID 32 = n (r 3 i=2 i D 30,i fi ) n 2 i=2(r i D 20,i fi ) (4) Paraméter ID32 ri D30 D20 fi Magyarázat Integrált Sauter középátmérő [μm] Középponttól mért sugárirányú távolság [mm] Térfogati közepes cseppátmérő [μm] Felületi közepes cseppátmérő [μm] i-edik mérési pont adat rátája [Hz] 6. táblázat: A 4. egyenletben szereplő paraméterek értelmezése 35

ID 32 [ m] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével ID32 Eset 0.3 bar 0.5 bar 0.7 bar 0.9 bar 1.1 bar 1.6 bar 2.1 bar 2.6 bar 3.1 bar Z=10 mm 24,994 21,771 18,785 20,543 18,915 14,843 13,663 18,375 13,476 Z=15 mm 21,929 19,018 17,059 16,762 15,540 15,850 15,850 11,095 12,435 Z=26.7 mm 28,403 23,534 21,391 9,079 19,932 14,028 13,282 6,796 7,246 Z=50 mm 25,387 17,257 13,327 11,881 10,303 8,183 7,528 6,913 6,699 7. táblázat: Az integrált Sauter középátmérőre kapott eredmények összefoglalása A 7. táblázatban összefoglalásra kerültek a (4) egyenlet alapján származtatott integrált Sauter középátmérő eredményei, melyek a 34. ábrán váltak szemléltethetővé. A 34. ábrán látható eredmények alapján belátható, hogy a porlasztónyomás fokozatos növelésével az SMD értékek folyamatos jellegű csökkenése figyelhető meg. Továbbá, a kisebb porlasztónyomások tartományában történő változások nagyobb hatással vannak az SMD értékére, mint a szuperszonikus körülmények közötti változtatások. Ezáltal azt a megállapítást tehetjük, hogy a porlasztónyomás növelése csak egy bizonyos nyomásértékig szolgáltat számunkra kedvezőbb értékeket. Z=10 mm Z=15 mm Z=26.7 mm Z=50 mm 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3 Alkalmazott porlasztónyomás [bar] 34. ábra: A mérési eredményekből származtatott integrált Sauter középátmérő változása a vizsgált profilokban 36

ID32 [μm] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével A 34. ábrán tapasztalható eredmények teljes mértékben illeszkednek a 2.3. fejezetben tárgyalt, 9. ábrán bemutatott előzetes várható, teoretikus alapokra építő közelítő eredményekhez. Azonban, a mérési eredményeink közül a Z= 26.7 mm-es vizsgálati profil esetében a 0.9 bar porlasztónyomáshoz tartozó eredmény a mérési sorozatból kiugró eltérést produkál. A jelenség magyarázatának tisztázása érdekében megismételtük a mérést a Z=26.7 mm-es profil esetében. A viszonyítási alap érdekében elvégeztük a Z=50 mm-es profil mérését és kiértékelését is, aminek két fő indoka volt. Egyrészt, a PDA kalibrációja során kialakított mérési algoritmus során a Z=26.7 és 50 mm-es esetek mérését együtt végeztünk, így célszerű volt a meglévő algoritmus használata az új mérés kivitelezésére. Másrészt pedig, azzal a feltételezéssel éltünk, hogyha egy másik vizsgált profil vizsgálata ugyanazt az eredményt szolgáltatja, mint az első mérési sorozat során, akkor az új mérések során kapott eredmények hitelesnek és elfogadhatónak tekinthetőek a problémás profil vizsgálatára vonatkozóan is. A várakozásainknak megfelelően azt tapasztaltuk, hogy a Z=26.7 mm-es profil 0.9 bar porlasztónyomásánál diagnosztizálható eltérő eredmény, mérési hibának tudható be. A kialakuló mérési hiba oka többféle nézőpont szerint is indokolható, mivel előfordulhat, hogy a permetet olyan külső behatásra keletkező zavarás terhelte, amely már nagymértékben lerontotta a detektálás minőségét. Z=50 mm Z=26.7 mm 36 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 Alkalmazott porlasztónyomás [bar] 35. ábra: Az integrált Sauter középátmérő változása az összehasonlító mérés alapján 37

4. Numerikus szimuláció Az elmúlt években a műszaki és egyéb területeken az áramlások numerikus szimulációja rendkívül gyors fejlődésen ment keresztül. Ez a fejlődés tette lehetővé, hogy az áramlástan alapegyenleteinek: a tömeg-, az impulzus- és az energia megmaradást kifejező kontinuitás, mozgás- és energia egyenlet, valamint egyéb mennyiségek (turbulencia, többkomponensű és/vagy fázisú anyagok, szilárd szemcsék) transzportegyenleteinek numerikus megoldására épülő szoftvereket eredményesen lehet alkalmazni gyakorlati feladatok megoldására. A CFD kódok egyik legfontosabb alkalmazási területének az energetikát tekinthetjük, mivel itt alakulnak ki olyan kevert hőtani, mechanikai és áramlástani problémák melyekre első lépésként célszerű a numerikus szimuláció alkalmazása. A hatékony és korszerű áramlástani kódok gyakorlati alkalmazását a világviszonylatban piacvezető FLUENT véges térfogat alapú szoftver segítségével valósítottuk meg. A numerikus szimuláció alapját a vizsgált áramlási tér elemi térfogatrészekre, cellákra való felosztása adja. A mérések során alkalmazott porlasztót, amelyet pontos méreteivel együtt modelleztünk, ICEM geometriakészítő szoftverkörnyezetben valósítottuk meg. A két szoftver együttes alkalmazása lehetővé tette számunkra a mérések során vizsgált jelenségek numerikus szimulációját. A peremfeltételek kialakításánál szem előtt tartottuk az előmérések során kapott eredményeket, így a tüzelőanyag típusa, viszkozitása, sűrűsége és az alkalmazott porlasztónyomások hűen tükrözik a valós mérések során alkalmazott és adódó értékeket. A következőekben a 4.1. és 4.3. alfejezetben bemutatásra kerül a megvalósított porlasztógeometria, az alkalmazott peremfeltételek, a numerikus szimuláció legfontosabb beállításai és a 4.4. fejezetben ezek összességéből kapott eredmények összefoglalása. Továbbá, a megfelelő térbeli diszkretizáció biztosításához szükséges a megvalósított porlasztógeometriához tartozó hálófüggetlenségi vizsgálat is, amely a 4.2. fejezetben kerül bemutatásra. 4.1. Alkalmazott geometriai modell bemutatása A numerikus szimuláció elvégzéséhez valós 2 dimenziós porlasztógeometria modellezését végeztük el ICEM szoftverkörnyezetben. A megvalósított valós paraméterekkel felruházott porlasztógeometriához megfelelően nagyméretű áramlási teret csatoltunk a folyamat zavartalan lefolyása érdekében. A kialakított 38

geometria szemléltetése a 36. ábrán látható, ahol az egyes jellemző paraméterek értékei is bemutatásra kerülnek. A geometria tengelyszimmetrikusságából fakadóan elegendő a kialakítás egyik felét modellezni, majd tükrözni a kapott eredményeinket a szemléletesség érdekében. 36. ábra: Az egyszerűsített porlasztógeometria és áramlási tér modellje 4.2. Hálófüggetlenségi vizsgálat A megfelelő térbeli diszkretizáció biztosításához szükséges hálófüggetlenségi vizsgálatot végezni. Ez a vizsgálati módszer a cellaszám változtatásán alapszik, aminek az egyes élekre definiált, alapértékeihez viszonyított százalékos eltérései kerültek vizsgálat alá. Az első megvalósított geometria cellaszáma már a cseppek vizsgálata nélkül is túl hosszú futási időt eredményezett, így a változtatások a cellaszámok csökkentésére irányultak. Az 1. és 2. háló között közel 8-szoros különbség adódik, mivel arra törekedtünk, hogy megtaláljuk a még éppen megfelelőnek bizonyuló legkisebb cellaszámmal rendelkező hálózást. A 2. hálótól kezdve a cellaszámok felezésére törekedtünk, mivel ebben a cellaszám tartományban már várható volt a hálózásból fakadó eredmények hanyatlása. Az egyes esetekhez kapcsolódó cellaszám értékeket a 8. táblázat tartalmazza. 39

Axiális sebesség [m/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével Hálózás sorszáma Cellaszám 1. 822 357 2. 112 349 3. 42 909 4. 27 726 8. táblázat: A vizsgálati esetekben megvalósuló cellaszámok értékei A vizsgálatainkat tehát négy különböző cellaszámmal rendelkező geometriai modellre végeztük el. A hálófüggetlenségi vizsgálatot a cseppekből fakadó megnövekedett futtatási idők miatt, csak a levegő segédközeg egyedüli áramlási térbe jutására végeztük el, azonban ebből már elegendő információt nyertünk a háló minőségére vonatkozóan. A kiértékelésre kerülő hálók esetében két porlasztónyomás alkalmazása került vizsgálatra, melyet célszerűen a mérés során alkalmazott legkisebb (0.3 bar) és legnagyobb (3.1 bar) eset szolgáltatta. Ezáltal vizsgálhatóvá vált a hálózásból fakadó eredmények minősége szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok mellett is. 1.eset 2.eset 3.eset 4.eset 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 Középpontól mért távolság [m] 37. ábra: Axiális sebességek alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 0,3 bar) Az elemzés alá kerülő paraméterek közé tartozott az axiális sebesség, radiális sebesség, abszolút sebesség nagysága, turbulens kinetikus energia, statikus nyomás, sűrűség és a statikus hőmérséklet értéke. Az előbb felsorolt paraméterek két profil alapján kerültek kiértékelésre, amit a porlasztó fúvókához legközelebb eső két profil (Z=10 és 26.7 mm) szolgáltatott. 40

Statikus hőmérséklet [K] Statikus nyomás [Pa] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével 1.eset 2.eset 3.eset 4.eset 120 100 80 60 40 20 0-20 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 Középponttól mért távolság [m] 38. ábra: A statikus nyomások alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 0,3 bar) 1.eset 2.eset 3.eset 4.eset 302 300 298 296 294 292 290 288 286 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 Középponttól mért távolság [m] 39. ábra: A statikus hőmérséklet alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 0,3 bar) Az eredmények bemutatását a szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok mellet is három-három szemléltető példán keresztül végeztük el. Mivel a porlasztó fúvókához legközelebb eső profil okozhatja a legnagyobb problémát az ebben a tartományban rendkívül gyorsan lejátszódó folyamatok miatt, így mindkét 41

Axiális sebesség [m/s] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével áramlási viszony bemutatása a fúvókához közelebb eső eset eredményein keresztül kerül bemutatásra. A szubszonikus esetben bemutatásra kerülő három paraméter az axiális sebesség, a statikus nyomás és a statikus hőmérséklet. A szubszonikus áramlási viszonyok mellett kapott eredményeket a 37-39. ábrák tartalmazzák. A szubszonikus áramlási viszonyok mellett történő szimulációs eredményekből megállapítható, hogy a 4. hálózás már egyértelműen elvetésre kerülhet, mivel mindhárom paraméter szerint vizsgált esetben eltérést mutat a nagyobb cellaszámmal rendelkező elődjeihez képest. Azonban, az eredményeket célszerű megvizsgálni a már korábban említett szuperszonikus áramlási viszonyok mellett is, így az erre vonatkozó hálófüggetlenségi vizsgálat eredményei a 40.-42. ábrákon látható. A vizsgálat alá kerülő paraméterek a szuperszonikus áramlási viszonyok mellett az axiális sebesség, turbulens kinetikus energia és a statikus hőmérséklet. 1.eset 2.eset 3.eset 4.eset 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 Középponttól mért távolság [m] 40. ábra: Axiális sebességek alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 3,1 bar) 42

Statikus hőmérséklet [ C] Turbulens kinetikus energia [m 2 /s 2 ] Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével 1.eset 2.eset 3.eset 4.eset 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 Középponttól mért távolság [m] 41. ábra: Turbulens kinetikus energia alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 3,1 bar) 350 1.eset 2.eset 3.eset 4.eset 300 250 200 150 100 50 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 Középponttól mért távolság [m] 42. ábra: A statikus hőmérséklet alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 3,1 bar) 43

A szuperszonikus áramlási viszonyok mellett történő kiértékelések alapján azonos következtetések vonhatók le, mint a szubszonikus esetben. Így, a 4. hálózási struktúrával ellátott geometria egyértelműen elvetésre került. Annak érdekében, hogy a szimulációs eredményeinket a lehető leggyorsabban megkapjuk a hálófüggetlenségi vizsgálatra alapozva a 3. háló alkalmazásával végeztük a további vizsgálatainkat. 4.3. A peremfeltételek és szimulációs beállítások A numerikus szimulációban alkalmazott levegő segédközeges porlasztóra definiált paraméterek összefoglalását az 9. táblázat tartalmazza. Paraméter Beállított érték X irányú pozíció 0 Y irányú pozíció 0 Hőmérséklet [K] 300 Relatív sebesség [m/s] 300 Belépő szabadsugarak száma [db] 2 Tömegáram [kg/h] 1,26 Tüzelőanyag fúvóka átmérője [mm] 0.4 Porlasztási félkúpszög [ ] 20 Porlasztó diszperziós szög [ ] 6 9. táblázat: A levegő segédközeges porlasztó szimulációs modelljére alkalmazott paraméterek A porlasztani kívánt folyékony tüzelőanyag paramétereit a 10. táblázat tartalmazza. Paraméter Beállított érték Sűrűség [kg/m 3 ] 825 Fajhő [J/kgK] 2090 Viszkozitás [kg/ms] 0.0035 Cseppekre ható felületi feszültség [N/m] 0.0263 10. táblázat: A folyékony tüzelőanyag beállított paraméterei 44

A modellben alkalmazott legfontosabb beállítások a 10. táblázatban találhatóak. Beállítási lehetőség 2D Space Megoldó típusa Részecskék kezelése Energiaegyenlet Viszkózus modell DPM modell Beállított jellemző Axysimmetric Density-Based Tranziens Bekapcsolva Reynolds Stress modell: i. Enhanced Wall Treatment ii. Pressure Gradient Effects iii. Compressibility Effects 1) Folytonos Fázis 2) DPM források frissítése iterációnként 3) Követési paraméterek: i. Maximum 50000 lépés ii. Követési lépték: 0.01 [mm] 4) Fizikai modellek: i. Virtual Mass Force ii. Pressure Gradient Force iii. Stochastic Collision iv. Coalescence v. Breakup 1) Implicit 2) Roe-FDS 3) Gradient: Least Squares Cell Based 4) Flow: Second Order Upwind Megoldási metódus 5) TKE: Second Order Upwind 6) TDR: Second order Upwind 7) RS: Second Order Upwind 8) TF: Second Order Upwind Courant-szám 0.75 Időlépés [s] 2*10-8 (0.3 bar); 4*10-9 (3.1 bar) 11. táblázat: A modellben alkalmazott fő beállítások összefoglalása 45

4.4. Szimulációs eredmények bemutatása, kritikai értékelése A numerikus szimulációt az előbbi fejezetben ismertetett porlasztógeometria és peremfeltételek együttes alkalmazása mellett végeztük el. A kapott eredmények csak demonstratív jelleget képviselnek, mivel a porlasztási mechanizmus numerikus szimulációja nem egyértelmű, így a modell további finomításokra szorul a méréssel való kielégítő összehasonlítás érdekében. A szimuláció során alkalmazott beállítások esetében első körben az porlasztási folyamathoz rendelt alapbeállítások vizsgálatát végeztük el. Ez alapján lehetőségünk volt megállapítani a rendelkezésre álló valós mérési adatok alapján a numerikus szimuláció hibáit, amely az irodalom által ismert, hogy rosszul közelíti a valóságot [11]. A szimulációs eredmények kiértékelésénél szem előtt tartottuk a valós mérések kiértékelésénél alkalmazott módszertani megfontolásokat. Ezáltal, a kiértékelések a cseppek sebességének és az SMD értékének eloszlásaira irányulnak. Az elvégzett mérések esetében a kiértékelések, különböző axiális távolságokra merőleges és sugárirányú változások elemzését tartalmazták. A numerikus szimuláció kiértékelésének esetében az alkalmazott porlasztónyomások közül a két szélsőséges (0.3 és 3.1 bar) eset került vizsgálat alá annak érdekében, hogy szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok mellett is értékelni tudjuk a kapott szimulációs eredményeinket. Ennek függvényében először a 0.3 bar porlasztónyomás értékhez tartozó eredményeket mutatjuk be. Az axiális sebességek változását prezentáló kontúrképet a 43. ábra tartalmazza. 43. ábra: Az axiális sebességsekből (m/s) kialakuló sebességmező (0.3 bar) 46