Theoretical and experimental investigations on the coeffizient of discharge and spray cone angle of a swirl spray atomizing nozzle

SummaryAn understanding of the relation between the important sprary characteristics of a swirl nozzle with its different geometrical dimensions forms the basis of a unified design procedure of the nozzles for any preassigned performance. The coefficient of discharge and spray cone angle are two of such important performance characteristics. In the present paper, an attempt has been made towards a theoretical and an experimental investigations into the effects of nozzle geometries and injection condition on the coefficient of discharge and spray cone angle. These two parameters have been theoretically evaluated through the analytical solution of hydrodynamics of flow inside the nozzle and finally their dependence with the nozzle dimensions, namely, the length and diameter of the swirl chamber, angle of the spin chamber and the orifice diameter along with the injection condition expressed as the Reynolds number at inlet to the nozzle have been established theoretically. A series of experimental investigations have also been carried out to support and compare the theoretical results. It has been recognized that within a definite range, an increase in Reynolds number Rei at inlet to the nozzle decreases the coefficient of discharge and increases the spray cone angle. Amongst the nozzle geometries, an increase in the orifice to swirl chamber diameter ratioD2/D1, spin chamber angle 2α or a decrease in swirl chamber length to diameter ratioL1/D1 decreases the coefficient of discharge and increases the spray cone angle.ZusammenfassungAus den Beziehungen zwischen wichtigen Bestimmungsgrößen für den Zerstäuber einer Wirbeldüse mit ihren unterschiedlichen geometrischen Abmessungen wird die Grundlage einer einheitlichen Entwurfsrechnung zur Auslegung von Düsen für jeden vorgegebenen Verwendungszweck hergeleitet. Der Durchflußbeiwert und der Öffnungswinkel des Zerstäubungskegels sind zwei dieser wichtigen Bestimmungsstücke. In der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternommen, nach theoretischen und experimentellen Befunden zum Einfluß der Düsengeometrie und Ausspritzbedingungen auf den Durchflußbeiwert und den Strahlöffnungswinkel zu kommen. Diese beiden Parameter wurden theoretisch aus der analytischen, hydrodynamischen Lösung für die Strömung in der Düse berechnet und abschließend ihre Abhängigkeit von den Düsenabmessungen, hauptsächlich Länge und Durchmesser der Wirbelkammer, Winkel des Mündungskegels und Öffnungsdurchmesser in Abhängigkeit der Ausströmbedingungen ausgedrückt durch die Reynoldszahl am Düseneingang theoretisch ermittelt. Eine Anzahl experimenteller Untersuchungen wurde durchgeführt, um die theoretischen Resultate zu belegen und zu vergleichen. Es fällt dabei auf, daß innerhalb eines bestimmten Bereichs mit wachsender Reynoldszahl Rei am Einlaß in die Düse der Durchflußbeiwert abnimmt und der Zerstäubungswinkel zunimmt. Unter allen Düsengeometrien wirkt ein größeres Verhältnis Öffnungsdurchmesserm zu WirbelkammerdurchmesserD2/D1, ein größerer Öffnungswinkel des Mündungskegels 2α oder ein kleineres Verhältnis Wirbelkammerlänge zu WirbelkammerdurchmesserL1/D1 verkleinernd auf den Durchflußbeiwert und vergrößernd auf den Zerstäubungswinkel.