Analisi sperimentale di un nuovo metodo di atomizzazione mediante setto poroso

Atomization of fuel and mixing with combustion air are valuable tools for reducing pollutant emissions. A new type of atomizer equipped with a porous element has been designed. In literature it is possible to find some prototypes of injectors that exploit a porous matrix. Unlike others, in the prototype here analyzed air and water injection takes place directly inside the porous matrix. This solution should enhance mixing of the two fluids. Elements of different length and pore size were used, inserted in two different configurations of the injector. In one configuration water is injected into the side of the porous element and normally to the air flow, a second one is designed to inject water parallel to air flow. Pressure losses across the porous elements were measured, resulting greater with increasing matrix length and pore size. Forchheimer’s model applicability to data was tested. The model is not fully able to describe the pressure trends. Sprays, captured through high-speed imaging, showed an increase in spray angle as air flow decreased and water flow increased. Spray penetration has seen an increase with reduction of porous elements length. A qualitative drop size analysis was also carried out and it showed that it is strongly influenced by the formation of a coalescing region on the porous matrix output section. The region tends to disappear with increasing air flow, allowing formation of finer drops.

L’atomizzazione e la miscelazione tra combustibile e comburente sono strumenti molto preziosi per ridurre le emissioni di inquinanti. È stato progettato un nuovo tipo di atomizzatore equipaggiato con un setto poroso. In letteratura è possibile trovare alcuni prototipi di iniettori che sfruttano una matrice porosa: a differenza di altri, nel prototipo qui analizzato l’iniezione di aria ed acqua avviene direttamente all’interno della matrice porosa. In questo modo si vuole rendere più efficace la miscelazione dei due fluidi. Sono stati impiegati setti di diversa lunghezza e dimensione dei pori, inseriti in due configurazioni differenti dell’iniettore. Una configurazione presenta iniezione di acqua laterale al setto e normale al flusso di aria, una seconda vede iniezione di acqua centrale rispetto al setto e parallela al flusso di aria. Sono state misurate le perdite di carico a cavallo delle matrici porose, che risultano maggiori all’aumentare di lunghezza dei setti e dimensione dei pori. È stata testata l’applicabilità del modello di Forchheimer, il quale si è rivelato non del tutto adeguato a descrivere l’andamento delle pressioni. Gli spray, ottenuti tramite tecnica fotografica ad alta velocità, hanno mostrato un aumento dell’angolo dello spray al diminuire della portata di aria ed al crescere della portata di acqua. La penetrazione dello spray ha visto un incremento a fronte della riduzione della lunghezza dei setti. È stata inoltre effettuata un’analisi qualitativa della dimensione delle gocce prodotte, la quale è fortemente influenzata dalla formazione di una regione di coalescenza sulla sezione di uscita della matrice porosa, che tende a scomparire con l’aumentare della portata di aria, consentendo la formazione di gocce più fini.