Spray Evaporation in Turbulent Flow: Numerical Calculations and Detailed Experiments by Phase-Doppler Anemometry Évaporation de brouillard en flux turbulent : calculs numériques et expériences détaillées par anémometrie de phase-Doppler

Abstract

The present paper concerns experiments and numerical calculations of an isopropyl-alcohol spray evaporating in a co-flowing turbulent heated air flow. The measurements provided detailed inlet and boundary conditions for the numerical calculations and allowed the validation of the numerical method and models. Phase-Doppler anemometry was used in order to obtain the spatial change of the droplet size distribution and the correlation between droplet size and velocity throughout the flow field. Additionally, a reliable method based on the detection of the signal amplitudes was applied to determine the droplet mass flux. By integration of the droplet mass flux profiles, the global evaporation rates could be determined for different flow conditions. Numerical calculations of the evaporating spray were performed by the Eulerian / Lagrangian approach. The modelling of droplet evaporation is briefly reviewed prior to the description of the applied numerical models and methods. Calculations for a single phase flow showed good agreement with the experiments. Also for all of the droplet phase properties reasonable agreement with the experiments could be achieved and the global evaporation rates agreed well with the measurements. Cet article expose en détail les expériences et les calculs concernant l'évaporation d'isopropanol pulvérisé dans un flux d'air chaud turbulent. Les mesures ont fourni le détail des conditions initiales et des conditions limites pour les calculs numériques ; elles ont également permis de valider la méthode et le modèle. L'anémométrie de phase-Doppler a permis de définir la modification spatiale de la distribution des dimensions de gouttelettes ainsi que la corrélation entre dimension et vitesse des gouttelettes, dans l'ensemble du champ d'écoulement. De plus, une méthode fiable fondée sur la détection des amplitudes de signal a été appliquée afin de déterminer le débit massique des gouttelettes. L'intégration des profils de débit massique a permis de définir le taux d'évaporation global pour différentes conditions d'écoulements. Les calculs numériques ont été effectués par des approches Euleriens et Lagrangiens. La modélisation de l'évaporation des gouttelettes est rappelée brièvement avant la description des modèles numériques appliqués pour cette étude. On a constaté une bonne cohérence entre les calculs portant sur un écoulement monophasique et les mesures. De surcroît, pour l'ensemble des propriétés des gouttelettes, les auteurs ont obtenu une concordance raisonnable avec les résultats d'expérience, et le taux global d'évaporation s'est révélé en accord avec les mesures effectuées.