Full Cone Spray: l’importanza del Break-up nei motori

Nella scorsa parte dell’approfondimento legato all’iniezione di liquidi vari nei motori, abbiamo focalizzato l’attenzione sulla natura del break-up primario, i fenomeni di interferenza (utili e dannosi) e varie grandezze di riferimento. Adesso cercheremo di risolvere i processi legati al break-up secondario, i vari regimi e non per ultimi i fenomeni di interferenza legati anche al tipo di iniettore scelto.

Innanzitutto occorre definire nell’ambito di break- up primario e secondario altri fenomeni di interazione getto – ambiente. Abbiamo visto la turbolenza interna iniettore, la cavitazione, la turbolenza interna; oggi concentreremo l’attenzione sulle onde superficiali per effetto della forza aerodinamica relativa, la turbolenza esterna indotta dai moti d’ingresso in camera (swirl, tumble essenzialmente) e il rilassamento del profilo dello strato limite.

Partendo dall’ultimo si nota come nella foto soprastante (con riquadro in basso a sinistra) come lo strato limite, una volta superata l’uscita del getto, si recupera mancando la no-slip condition a parete e ritorna uniforme (pari all’indisturbato). Lateralmente quindi si accelera il fluido, si sviluppano increspature utili per il break-up. Tutto ciò che increspa e rompe la regolarità della colonna liquida merita di essere studiata in questo particolare ambito di ricerca. Adesso andiamo a concentrarci maggiormente sul break-up secondario e sui fenomeni di interferenza.

Break-up secondario

In figura sopra notiamo i differenti tipi di break-up secondario. Funzione di un parametro: We,g.
Il break-up secondario consiste in gocce staccate dalla colonna liquida che viaggiano indipendenti dalla stessa e mediante fenomeni di interferenza si rompono in droplets via via più piccole a cascata. Il tutto migliora lo scambio termico sulla goccia a volume inferiore. In questo caso il parametro di riferimento sarà il We,g, numero adimensionale di We in gase gassosa che definisce il rapporto tra le forze aerodinamiche (di resistenza) del gas sulla forza di coesione superficiale della droplet dovuta a caratteristiche fisiche del fluido (come la sua tensione superficiale). Per capire bene questi fenomeni basti pensare alla struttura dell’iniettore e valutarne le differenze.

Le principali morfologie sono: Full e Hollow cone spray. Cioè iniettori che proiettano fluido in geometria tronco-conica con un suo certo angolo di apertura, con all’interno fluido o meno. Praticamente coni cavi o pieni di droplets iniettate. Rendiamo tutto più chiaro con degli schemi.

Full Cone Spray:

Trovo liquido sull’uscita fino all’asse del tronco di cono. Ho break-up primario molto vicino all’iniettore e poi misuro la Spray Penetration fino alla parete, chiaramente non è detto che la perforazione del getto e delle droplets arrivino sino a parete. Bisogna considerare che riducendosi di dimensioni, la singola droplet, riduce la sua quantità di moto fino ad arrestrarsi in quanto la variazione di q.tà di moto nel tempo della droplet (cioè la variazione della forza) viene bilanciata e vinta dalla forza di resistenza aerodinamica (drag force) che per il principio di reciprocità di L.Da Vinci è pari alla forza che l’aria esercita sulla droplet liquida che vorrebbe penetrarla. (Un po’ come il principio di reciprocità nelle gallerie del vento).

Ho tanti fori con piccole colonne di liquido per aumentare la velocità e coprire maggior volume della camera di combustione.
A fine iniezione c’è il problema dello sgocciolamento per colpa del “sac hole” che è una sorta di cameretta di fluido che una volta chiusa continua a gocciolare un po’ di fuel aumentando gli sprechi.

L’ideale sarebbe sfruttare la turbolenza swirlante dell’aria per allontanare il getto conico dal pistone e dalle pareti e magari concentrare tutte le droplet vicino l’asse cilindro. ottimizzando la carica fresca sotto candela (magari). Tuttavia iniettare in maniera swirlante con un iniettore rotante sarebbe l’ideale per enfatizzare il mescolamento. Questi rientrano nei hollow cone type.

Nel prossimo episodio parleremo di hollow cone spray e di tutte le sue particolarità, pregi e difetti a portata di articolo. Per ultimo affronteremo l’importanza dell’interazione aerodinamica.