Ci sono molti processi, come la propulsione, in cui fluido in uno stato supercritico, dove la temperatura e la pressione mettono una sostanza oltre una fase liquida o gassosa distinguibile, viene iniettato in un ambiente di condizioni termodinamiche supercritiche. In queste condizioni, le dinamiche di miscelazione e interazione non si comportano come farebbero nelle loro fasi liquide o gassose ben definite.
motori a razzo, le turbine a gas e i motori diesel sperimentano condizioni nella loro camera di combustione che superano le condizioni critiche del loro carburante, e spray supercritici finemente atomizzati vengono utilizzati per rivestire le compresse nella produzione di medicinali. In entrambi i casi, comprendere le dinamiche precise di come il fluido si rompe e si disperde può portare a miglioramenti fondamentali nelle modalità di costruzione di tali sistemi.
Lo studio della disintegrazione del getto, in particolare, si concentra sulla rottura e la miscelazione del carburante all'interno della camera di combustione dei dispositivi di propulsione. Un team di ricercatori dell'Università della Florida ha applicato tecniche di diagnostica spettroscopica per saperne di più sui fondamenti della disintegrazione del getto sub e supercritico, e riporta le loro nuove scoperte questa settimana sulla rivista Fisica dei fluidi .
"La tecnica di fluorescenza indotta dal laser planare (PLIF) e il processo di correzione degli effetti di assorbimento sono uno strumento unico del Laboratorio di combustione e propulsione, "ha detto Shaun DeSouza, ricercatore presso l'Università della Florida e autore principale della pubblicazione. "Questo metodo fornisce dati quantitativi per il confronto con i dati qualitativi prodotti dalla tecnica shadowgraph". Sebbene gli studi di imaging dei getti siano stati eseguiti da molti diversi istituti di ricerca, ci sono dati limitati di densità quantitativa riportati in questi studi.
Per ottenere quei dati quantitativi, DeSouza e il suo collaboratore hanno eseguito 48 test di getti iniettati da un singolo orifizio in una camera con una gamma di combinazioni di temperatura e pressione da sub-a supercritica. Hanno usato un fluido chiamato fluorochetone in questi test a causa della sua bassa temperatura e pressione critiche, caratteristiche che regolano il comportamento ipercritico di interesse, così come le sue distinte caratteristiche spettrali adatte al rilevamento PLIF.
L'attuale studio sui getti a orifizio singolo iniettati in una camera con temperature e pressioni da sub-a supercritiche si è concentrato sull'effetto del rapporto di densità tra camera e iniettore sulla disintegrazione del getto con 48 test eseguiti su un ampio intervallo di rapporti di densità. Per questi test, i ricercatori hanno utilizzato il fluorochetone come fluido di lavoro perché ha una temperatura e una pressione critiche relativamente basse e un forte assorbimento nella gamma del vicino ultravioletto che lo rende una buona scelta per la visualizzazione di shadowgraph e PLIF.
I risultati dello studio hanno dimostrato l'accuratezza del PLIF, l'imaging di singoli piani del campo di flusso attraverso il centro del getto, portando a notevoli differenze nell'angolo di diffusione misurato rispetto alla shadowgraphy. A differenza della shadowgraphy, che immagini integrativamente l'intero getto, PLIF fornisce informazioni sulla densità più dettagliate che illuminano le caratteristiche che la shadowgraphy non è in grado di rilevare.
Ogni tecnica di imaging offre vantaggi complementari, con PLIF che fornisce risultati di densità quantitativa e shadowgraphy che fornisce una visualizzazione del flusso molto dettagliata. Mentre i dati del grafico ombra concordavano con i precedenti studi di visualizzazione, i risultati PLIF che hanno fornito la misurazione quantitativa della densità del piano del getto centrale e dei gradienti di densità hanno offerto risultati nuovi e diversi.
I risultati hanno anche rivelato tendenze chiave per comprendere e migliorare applicazioni come la propulsione a getto, come un aumento del diametro della goccia normalizzato e una diminuzione della popolazione di goccioline all'aumentare della temperatura della camera. Secondo il lavoro, però, sia la dimensione che la distribuzione delle gocce erano indipendenti dalla pressione della camera.
"Il prossimo passo per questa linea di ricerca è espandere le condizioni termodinamiche esplorate e migliorare l'hardware di imaging per ottenere una migliore comprensione in una più ampia varietà di condizioni, ", ha detto De Souza.
