Drag coefficients of evaporating spheres in a turbulent air stream

Authors

  • A. Clamen,

    1. Department of Chemical Engineering, McGill University and Pulp and Paper Research Institute of Canada, Montreal, Quebec
    Current affiliation:
    1. ESSO Research & Engineering Company, Process Research Division, Linden, New Jersey, U. S. A
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  • W. H. Gauvin

    1. Department of Chemical Engineering, McGill University and Pulp and Paper Research Institute of Canada, Montreal, Quebec
    Current affiliation:
    1. Noranda Research Centre, Pointe Claire, Que
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Abstract

A study was made to determine the effect of mass transfer on the drag coefficients of freely-moving aerodynamically smooth spheres, accelerating in a co-current turbulent air stream. The particles consisted of celite impregnated with liquid sulphur dioxide and varied in diameter from 0.184 to 0.989-inch. Accurate time-distance data were obtained with a new particle-tracking technique which allowed the quantitative measurement of drag coefficients for relative turbulence intensities varying from 5 to 30%.

The range of Reynolds numbers studied was from 2100 to 29,800, which, because of the effect of free-stream turbulence, forms a part of the super-critical flow regime. The results have thus been compared with the previously reported drag data for solid non-evaporating spheres in a similar flow region.

Mass transfer was found, in general, to decrease the super-critical drag on a sphere and to reduce the influence of relative turbulence intensity. This alteration in momentum transfer is probably due to a reduction in the skin friction and to a pressure increase in the wake of an evaporating sphere.

Abstract

On a fait une étude pour determiner l'effet du transfer! de masse sur leg coefficients de frottement de sphères lisses, lesquelles se meuvent librement d'une manière aérodynamique et dont la vitesse est accélérée dans un courant d'air turbulent et concourant. Les particules étudiées consistaient en célite imprégnée d'anhydrlde sulfureux liquide et avaient un diamère variant entre 0.184 et 0.989 pouce. On a obtenu des renseignements précis sur le rapport entre la distance et le temps en employant une nouvelle méthode de dépistage des particules, laquelle a permis de mesurer quantitativement les coefficients de frottement pour des intensités de turbulence relatives variant entre 5 et 30%.

L'échelle des nombres de Reynolds étudiés a varié entre 2100 et 29,800 et, à cause de l'effet de turbulence du courant libre, elle fait partie du système d'écoulement super-critique. On a ainsi comparé les résultats avec ceux qu'on avait rapportés auparavant sur le frottement dans le cas de sphères solides où l'évaporation était nulle dans une region d'écoulement semblable.

On a trouvé que le transfert de masse diminuait en général le frottement super-critique sur une sphère ainsi que l'influence de l'intensite relative de la turbulence. Ce changement dans le transfert de force vive est probablement dǔ à une diminution dans la friction pelliculaire et à l'augmentation de pression dans le sillage d'une sphère sujette à l'évaporation.

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