Computational Flow Analysis of the Aerodynamic Effects of Conical Nozzle Design in Spray Nozzles

Fuat Tan; Alp Eren Dede

Makale detayları

Computational Flow Analysis of the Aerodynamic Effects of Conical Nozzle Design in Spray Nozzles

Yazarlar:

Fuat Tan | Alp Eren Dede

Yayıncı:

Fırat University

Ana Başlıklar:

Gaz Dinamiği | Makine Mühendisliğinde Sayısal Yöntemler | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Firat University Journal of Experimental and Computational Engineering Vol.4 Issue 3, pp.474-789

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

10/2025

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001360447

pISSN:

2822-2881

Anahtar kelimeler:

Özet:

 In this study, spray behavior in the nozzle was analyzed using the computational fluid dynamics CFD method through parametric simulations. Accordingly, parametric analyses were conducted using the Response Surface Methodology RSM in the commercial software ANSYS Fluent. The input variables were the nozzle outlet angle, the outlet diameter, and the nozzle outlet velocity. The flow velocity and pressure distribution in the control volume, as well as turbulence kinetic energy and eddy viscosity, were compared. For the input variables of the nozzle output angle the minimum value of 145-165, the width of the output orifice 0.6-0.8 mm and the outlet velocity of the nozzle 10-16 ms were sequentially taken as the minimum and maximum values. The maximum flow velocity 1187.34 ms occurred at 155, 0.6 mm, and 16 ms. The highest pressure 614029 Pa was recorded at 145 and 0.6 mm, while turbulence kinetic energy peaked at 24260 J at 145 and 13 ms. The maximum eddy viscosity 0.02339 Pas was found at 155 and 16 ms. These results provide practical recommendations for optimizing nozzle design using CFD and RSM. The analyses revealed that reducing the nozzle angle increases flow velocity but simultaneously intensifies turbulence, highlighting the trade-off between efficiency and stability. Overall, the study emphasizes the importance of computational methods in nozzle design and offers clear guidelines for achieving improved spray performance.

 In this study, spray behavior in the nozzle was analyzed using the computational fluid dynamics CFD method through parametric simulations. Accordingly, parametric analyses were conducted using the Response Surface Methodology RSM in the commercial software ANSYS Fluent. The input variables were the nozzle outlet angle, the outlet diameter, and the nozzle outlet velocity. The flow velocity and pressure distribution in the control volume, as well as turbulence kinetic energy and eddy viscosity, were compared. For the input variables of the nozzle output angle the minimum value of 145-165, the width of the output orifice 0.6-0.8 mm and the outlet velocity of the nozzle 10-16 ms were sequentially taken as the minimum and maximum values. The maximum flow velocity 1187.34 ms occurred at 155, 0.6 mm, and 16 ms. The highest pressure 614029 Pa was recorded at 145 and 0.6 mm, while turbulence kinetic energy peaked at 24260 J at 145 and 13 ms. The maximum eddy viscosity 0.02339 Pas was found at 155 and 16 ms. These results provide practical recommendations for optimizing nozzle design using CFD and RSM. The analyses revealed that reducing the nozzle angle increases flow velocity but simultaneously intensifies turbulence, highlighting the trade-off between efficiency and stability. Overall, the study emphasizes the importance of computational methods in nozzle design and offers clear guidelines for achieving improved spray performance.

 In this study, spray behavior in the nozzle was analyzed using the computational fluid dynamics CFD method through parametric simulations. Accordingly, parametric analyses were conducted using the Response Surface Methodology RSM in the commercial software ANSYS Fluent. The input variables were the nozzle outlet angle, the outlet diameter, and the nozzle outlet velocity. The flow velocity and pressure distribution in the control volume, as well as turbulence kinetic energy and eddy viscosity, were compared. For the input variables of the nozzle output angle the minimum value of 145-165, the width of the output orifice 0.6-0.8 mm and the outlet velocity of the nozzle 10-16 ms were sequentially taken as the minimum and maximum values. The maximum flow velocity 1187.34 ms occurred at 155, 0.6 mm, and 16 ms. The highest pressure 614029 Pa was recorded at 145 and 0.6 mm, while turbulence kinetic energy peaked at 24260 J at 145 and 13 ms. The maximum eddy viscosity 0.02339 Pas was found at 155 and 16 ms. These results provide practical recommendations for optimizing nozzle design using CFD and RSM. The analyses revealed that reducing the nozzle angle increases flow velocity but simultaneously intensifies turbulence, highlighting the trade-off between efficiency and stability. Overall, the study emphasizes the importance of computational methods in nozzle design and offers clear guidelines for achieving improved spray performance.

 Bu çalışmada, spreyleme nozülü ucundaki püskürtme davranışı hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile parametrik analiz yapılarak incelenmiştir. Bu amaçla, Ansys Fluent ticari yazılımı kullanılarak deneysel tasarım yöntemi olan Yanıt Yüzey Yönteminin RSM oluşturduğu parametrik tablo ile analizler yürütülmüştür. Giriş değişkenleri olarak nozül çıkış açısı, nozül çıkış çapı ve nozül çıkış hızı seçilmiştir. Buna bağlı olarak, kontrol hacmindeki püskürtme davranışını gösteren akış hızı ve basınç dağılımı ile türbülans kinetik enerjisi ve Eddy viskozitesi incelenerek karşılaştırılmıştır. Giriş değişkenleri için nozül çıkış açısı 145-165, çıkış çapı 0,6-0,8 mm ve nozül çıkış hızı ise 10-16 ms olarak sırasıyla minimum ve maksimum değer aralığında alınmıştır. Çalışma sonunda maksimum akış hızı olan 1187.34 ms değerine; nozül çıkış açısı 155, nozül çıkış çap değeri 0.6 mm ve çıkış hızı 16 ms değerindeyken ulaşılmıştır. Maksimum basınç değerine; 145 nozul açısı ve 0.6 mm nozul çapı ile 614029 Pa değerinde ulaşılırken, maksimum türbülans kinetik enerjisi olan 24260 J değerine ise 145 nozül çıkış açısı ve 13 ms nozül çıkış hızı ile ulaşılmıştır. Eddy viskozitesi için de maksimum değer olan 0.02339 Pas değerine, 155lik nozül çıkış açısı ve 16 ms nozül çıkış hız değerinde ulaşılmıştır. Analiz sonucu elde edilen sayısal bulgular ile bir nozulun nasıl tasarlanması gerektiği konusunda öneriler yapılmıştır. RSM yöntemi ile elde edilen bulgulara göre, nozul açısı azaltıldığında akış hızının arttığı buna karşın türbülans davranışının güçlendiği görülmüştür. Bu nedenle özellikle bir nozul tasarımı ile yapılacak çalışmalarda, bu konunun sayısal bir yöntemle ele alınması ve sonuçlardan elde edilen bazı önerilerle sunulması gerektiği görülmüştür.

Makale detayları

Computational Flow Analysis of the Aerodynamic Effects of Conical Nozzle Design in Spray Nozzles

Yazarlar:

Fuat Tan | Alp Eren Dede

Yayıncı:

Fırat University

Ana Başlıklar:

Gaz Dinamiği | Makine Mühendisliğinde Sayısal Yöntemler | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Firat University Journal of Experimental and Computational Engineering Vol.4 Issue 3, pp.474-789

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

10/2025

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001360447

pISSN:

2822-2881

Aerodynamic

CFD

Nozzle design

RSM

SprayingAerodinamik

CFD

Nozül tasarımı

RSM

Püskürtme

Sayı

Makale detayları

Yazarlar: Fuat Tan | Alp Eren Dede

Yayıncı: Fırat University

Ana Başlıklar: Gaz Dinamiği | Makine Mühendisliğinde Sayısal Yöntemler | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi: Firat University Journal of Experimental and Computational Engineering Vol.4 Issue 3, pp.474-789

Belge Tipi: Makale

Yayın Tarihi: 10/2025

Belge Dili: İngilizce

Document ID (Org No.): 2001360447

pISSN: 2822-2881

Sayı

Yazarlar:

Fuat Tan | Alp Eren Dede

Yayıncı:

Fırat University

Ana Başlıklar:

Gaz Dinamiği | Makine Mühendisliğinde Sayısal Yöntemler | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Firat University Journal of Experimental and Computational Engineering Vol.4 Issue 3, pp.474-789

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

10/2025

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001360447

pISSN:

2822-2881