In this work, we extend our previous research on swirl nozzles by introducing bubbles at the nozzle inlet. A large-scale hollow cone pressure-swirl atomizer is studied using scale-resolving simulations. The present flow conditions target a Reynolds number range of 600 ≤ Re ≤ 910 and gas-to-total volumetric flow rate ratios between 0.07 ≤ β ≤ 0.33 with β = 0 as an experimental and computational reference. The computational setup has relevance to high-viscosity bio-fuel injection processes. The flow rate ratio and bubble diameter sweeps are carried out to study their effect on the inner-nozzle flow and the liquid film characteristics outside the nozzle. The present flow system is shown to pose highly versatile physics, including bubble coalescence, bubble–vortex interaction, and faster liquid film destabilization relative to β = 0 case. The main results are as follows: (1) β is found to have a significant effect on the bimodal bubble volume probability density function inside the swirl chamber. In addition, the total resolved interfacial area of the near-orifice liquid film increases with β. (2) At the representative value of β = 0.2, the exact bubble size at the inlet is observed to have only a minor effect on the swirl chamber flow and liquid film characteristics. (3) The bubble-free (β = 0) and bubbly (β > 0) flows differ in terms of effective gas core diameter, core intermittency features, and spray uniformity. The quantitative analysis implies that bubble inclusion at the inlet affects the global liquid film characteristics with relevance to atomization.

中文翻译：

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旋流雾化器中气泡流动的数值研究

在这项工作中，我们通过在喷嘴入口引入气泡来扩展我们之前对旋流喷嘴的研究。使用尺度解析模拟研究了大型空心锥压力旋流雾化器。当前流动条件的目标雷诺数范围为 600 ≤ Re ≤ 910，气体与总体积流量比介于 0.07 ≤ β ≤ 0.33 之间，β = 0 作为实验和计算参考。计算设置与高粘度生物燃料喷射过程相关。进行流量比和气泡直径扫描以研究它们对喷嘴内流动和喷嘴外液膜特性的影响。目前的流动系统被证明具有高度通用的物理特性，包括气泡合并、气泡-涡流相互作用以及相对于 β = 0 情况下更快的液膜不稳定。主要结果如下： (1) 发现β对旋流室内双峰气泡体积概率密度函数有显着影响。此外，近孔口液膜的总分辨界面面积随着 β 的增加而增加。(2) 在 β = 0.2 的代表值下，观察到入口处的精确气泡尺寸对涡流室流动和液膜特性的影响很小。(3) 无气泡 (β = 0) 和有气泡 (β > 0) 流在有效气芯直径、芯间断特征和喷雾均匀性方面有所不同。定量分析意味着入口处的气泡包含影响与雾化相关的整体液膜特性。(1) 发现 β 对涡流室内的双峰气泡体积概率密度函数有显着影响。此外，近孔口液膜的总分辨界面面积随着 β 的增加而增加。(2) 在 β = 0.2 的代表值下，观察到入口处的精确气泡尺寸对涡流室流动和液膜特性的影响很小。(3) 无气泡 (β = 0) 和有气泡 (β > 0) 流在有效气芯直径、芯间断特征和喷雾均匀性方面有所不同。定量分析意味着入口处的气泡包含影响与雾化相关的整体液膜特性。(1) 发现 β 对涡流室内的双峰气泡体积概率密度函数有显着影响。此外，近孔口液膜的总分辨界面面积随着 β 的增加而增加。(2) 在 β = 0.2 的代表值下，观察到入口处的精确气泡尺寸对涡流室流动和液膜特性的影响很小。(3) 无气泡 (β = 0) 和有气泡 (β > 0) 流在有效气芯直径、芯间断特征和喷雾均匀性方面有所不同。定量分析意味着入口处的气泡包含影响与雾化相关的整体液膜特性。(2) 在 β = 0.2 的代表值下，观察到入口处的精确气泡尺寸对涡流室流动和液膜特性的影响很小。(3) 无气泡 (β = 0) 和有气泡 (β > 0) 流在有效气芯直径、芯间断特征和喷雾均匀性方面有所不同。定量分析意味着入口处的气泡包含影响与雾化相关的整体液膜特性。(2) 在 β = 0.2 的代表值下，观察到入口处的精确气泡尺寸对涡流室流动和液膜特性的影响很小。(3) 无气泡 (β = 0) 和有气泡 (β > 0) 流在有效气芯直径、芯间断特征和喷雾均匀性方面有所不同。定量分析意味着入口处的气泡包含影响与雾化相关的整体液膜特性。