Experimental and theoretical analysis of the two-phase flow inside Y-jet atomizers.

Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento.In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core