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Estudio numérico de los efectos de la relajación viscosa y la gravedad en la rotura de chorros líquidos laminares

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2010-07
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2010
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En el presente trabajo se ha llevado a cabo un estudio numérico de diversos procesos de rotura de gotas en chorros capilares laminares y axisimétricos de agua descargando en una atmósfera de aire en reposo. Partiendo de la teoría de Rayleigh y de ensayos anteriores al realizado en este estudio, se ha procedido a simular en Fluent el problema descrito, realizando un estudio posterior de los resultados en Matlab. En primer lugar se ha estudiado el caso en que el chorro abandona el inyector con un perfil de velocidad uniforme en condiciones de efectos de la gravedad despreciables, sirviendo este caso como validación de las simulaciones numéricas. Una vez realizada la validación, se ha estudiado la influencia del perfil inicial en la rotura del chorro, para el caso particular de un perfil de velocidad parabólico a la salida de la tobera, correspondiente al caso de inyectores largos. Los resultados obtenidos se han comparado con simulaciones y experimentos anteriores. Las simulaciones revelan un aumento lineal de la longitud de rotura con la velocidad del chorro, tanto para el caso de perfil uniforme como parabólico, siendo mayor la longitud de rotura para este último. Por último, se ha realizado un estudio centrado en el efecto de la gravedad, considerando por separado las transiciones de goteo a chorro y viceversa. Los resultados obtenidos se han comparado con experimentos anteriores, encontrando un buen acuerdo. Las simulaciones realizadas muestran la existencia de un número de Weber crítico de transición entre goteo y chorro, que disminuye conforme aumenta el número de Bond, así como la existencia de una histéresis considerable en el número de Weber crítico obtenido en el caso de goteo a chorro y viceversa. El grado de histéresis aumenta con el número de Bond, desapareciendo para números de Bond suficientemente pequeños, en buen acuerdo con resultados experimentales realizados en estudios previos. ____________________________________________________
The present work is devoted to a numerical study of several break-up processes which take place in laminar capillary jets of water discharging into stagnant air. Starting from Rayleigh's theory of capillary jet break-up, as well as a discussion of previous related works, the commercial CFD program Fluent is used to perform numerical simulations of capillary break-up, which are then post-processed in Matlab. To validate the numerical simulations, the case of a jet with uniform velocity profile at the injector outlet, with negligible influence of gravity, is first studied. Then, the influence of the initial velocity profile is studied in the particular case of a jet with parabolic profile at the exit, corresponding to long injectors. The results obtained are compared with previous works. The numerical simulations performed here reveal that the break-up length increases linearly with the jet velocity, not only in the case of a uniform initial velocity profile, but also for the parabolic one, being the break-up larger in the latter case. The last part is devoted to a study of the effect of gravity on the jet break-up, focusing on the transitions between the dripping and the jetting regimes. The numerical results obtained are compared with previous experiments, finding good agreement. In particular, the simulations reveal the existence of a critical value of the Weber number which decreases as the Bond number increases, as well as the presence of hysteresis between the dripping-jetting and jetting-dripping transitions. The degree of hysteresis is shown to increase with the Bond number; moreover, the hysteresis disappears completely for low enough values of the Bond number, in good agreement with previous experiments.
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Keywords
Mecánica de fluidos, Métodos numéricos en ingeniería, Dinámica de fluidos
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