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Advisor(s)
Abstract(s)
Over the last few decades, developing alternatives to fossil fuels has become increasingly important.
Biofuels, in particular, have attracted interest not only as an alternative to expensive
fossil fuels but also by providing a solution to several challenges that the modern world currently
faces, which include worries regarding energy security, economic development, the need to
mitigate climate change and achieving lower greenhouse gas emissions.
The major objective of this dissertation is numerically simulating the vertical impact of a single
droplet upon a liquid surface with the same liquid properties and surrounded by air. Four fluids
were taken into account: water, 100% Jet A-1 and 75%/25% and 50%/50% of Jet A-1 and NEXBTL,
respectively. Particularly, multiphase flows are complicated phenomena in nature due to the
difficulty in accurately predicting the interface between the phases.
The numerical model consists of solving the Navier-Stokes equations by means of the explicit
Volume of Fluid (VOF) method for a 2D axisymmetric assumption. This analysis considers several
parameters and models that define this phenomenon. The physical properties of the liquid
and gas, which are density and viscosity, surface tension, gravity and the contact angles of the
different fluids represent our physical model. For the solution approach, the Fractional Step
Method (FSM) numerically solves the Navier-Stokes incompressible equations, the Geometric
Reconstruction scheme tracks the interface between the liquid and the gas phase and the Continuum
Surface Force (CSF) model includes the effects of surface tension. The numerical results
are validated both qualitatively and quantitatively with available experimental results.
Six different outcomes were numerically simulated: Prompt Splash, Crown Splash, Spreading,
Jetting, Fingering and Bubbling. The numerical results for the initial four outcomes are in good
agreement with the experimental results in terms of the initial impact and crown expansion.
The fingering phenomenon displayed several issues concerning crown development due to the
3D nature of the instabilities formed at the crown rim. The bubbling phenomenon was not
possible to numerically recreate. Information regarding the dynamics of this phenomenon is
scarce and more research is required to understand the peculiarities of dome formation. It was
also visualized prompt splash for the crown splash and bubbling initial stages, which did not
correspond to the experimental results. There are several reasons that justify this discrepancy,
such as the difficulty in capturing very tiny ejected droplets or the solution approach forcing
prompt splash on some of the cases. Overall, 3D simulations are required for future analysis to
accurately predict secondary atomization. Work toward the bubbling phenomenon must also be
considered.
Nas últimas décadas, o desenvolvimento de alternativas aos combustíveis fósseis tem-se tornado gradualmente mais relevante. Os biocombustíveis, em particular, atraem interesse, não apenas como uma alternativa ao elevado custo dos combustíveis fósseis, mas também como solução para vários desafios que o mundo moderno enfrenta atualmente. Estes desafios incluem preocupações com a segurança energética, desenvolvimento económico, a necessidade de mitigar a mudança climática e redução das emissões de gases de efeito de estufa. O principal objetivo desta dissertação é simular numericamente o impacto vertical de uma gota sobre uma superfície líquida com iguais propriedades e envolvida por ar. Foram considerados quatro fluidos: água, 100% Jet A-1 e 75%/25% e 50%/50% de Jet A-1 e NEXBTL, respectivamente. Particularmente, os modelos multifásicos são fenómenos complicados na natureza devido à dificuldade em prever, com precisão, a interface entre as diferentes fases. O modelo numérico consiste em resolver as equações de Navier-Stokes a partir do método explícito do Volume de Fluido (do inglês, Volume of Fluid) para um modelo bidimensional (2D) axissimétrico. Esta análise considera vários parâmetros e métodos para caracterizar a dinâmica do impacto de gotas. As propriedades físicas dos fluidos, a gravidade e os ângulos de contacto são utilizados para clarificar este modelo. Em termos de abordagem dos métodos de solução, o Método de Etapa Fracionária (em inglês, Fractional Step Method) resolve numericamente as equações incompressíveis de Navier-Stokes, o esquema de Reconstrução Geométrica (em inglês, Geometric Reconstruction) delimita a interface entre o líquido e a gás e o modelo de Força de Superfície Contínua (em inglês, Continuum Surface Force) inclui os efeitos da tensão superficial. Os resultados numéricos são validados qualitativa e quantitativamente com os resultados experimentais disponíveis. Seis cenários diferentes foram simulados numericamente: Prompt Splash, Crown Splash, Spreading, Jetting, Fingering e Bubbling. Os primeiros quatro fenómenos referidos estão de acordo com os resultados experimentais em termos do impacto inicial e da expansão da coroa. O fenómeno de fingering apresentou vários problemas relativos ao desenvolvimento da coroa devido à natureza tridimensional (3D) das instabilidades formadas nos limites externos da coroa. O fenómeno de bubbling não foi possível de recriar numericamente. É necessário compreender a dinâmica deste fenómeno e como, atualmente, a pesquisa atual é escassa, estudos devem ser feitos para entender as peculiaridades da formação deste tipo de cúpulas. Também foi visualizado a ocorrência de prompt splash para as fases iniciais do crown splash e do bubbling, que não correspondiam aos resultados experimentais. Há várias razões que justificam essa discrepância, como a dificuldade de capturar as gotas extremamente pequenas provenientes da atomização secundária ou os métodos de solução forçarem o splash inicial em alguns casos. Em termos de análises futuras, simulações 3D são necessárias para averiguar o número, tamanho e velocidade das gotas provenientes da atomização secundária. O fenómeno de bubbling também requer um estudo mais exaustivo no comportamento da dinâmica do impacto das gotas.
Nas últimas décadas, o desenvolvimento de alternativas aos combustíveis fósseis tem-se tornado gradualmente mais relevante. Os biocombustíveis, em particular, atraem interesse, não apenas como uma alternativa ao elevado custo dos combustíveis fósseis, mas também como solução para vários desafios que o mundo moderno enfrenta atualmente. Estes desafios incluem preocupações com a segurança energética, desenvolvimento económico, a necessidade de mitigar a mudança climática e redução das emissões de gases de efeito de estufa. O principal objetivo desta dissertação é simular numericamente o impacto vertical de uma gota sobre uma superfície líquida com iguais propriedades e envolvida por ar. Foram considerados quatro fluidos: água, 100% Jet A-1 e 75%/25% e 50%/50% de Jet A-1 e NEXBTL, respectivamente. Particularmente, os modelos multifásicos são fenómenos complicados na natureza devido à dificuldade em prever, com precisão, a interface entre as diferentes fases. O modelo numérico consiste em resolver as equações de Navier-Stokes a partir do método explícito do Volume de Fluido (do inglês, Volume of Fluid) para um modelo bidimensional (2D) axissimétrico. Esta análise considera vários parâmetros e métodos para caracterizar a dinâmica do impacto de gotas. As propriedades físicas dos fluidos, a gravidade e os ângulos de contacto são utilizados para clarificar este modelo. Em termos de abordagem dos métodos de solução, o Método de Etapa Fracionária (em inglês, Fractional Step Method) resolve numericamente as equações incompressíveis de Navier-Stokes, o esquema de Reconstrução Geométrica (em inglês, Geometric Reconstruction) delimita a interface entre o líquido e a gás e o modelo de Força de Superfície Contínua (em inglês, Continuum Surface Force) inclui os efeitos da tensão superficial. Os resultados numéricos são validados qualitativa e quantitativamente com os resultados experimentais disponíveis. Seis cenários diferentes foram simulados numericamente: Prompt Splash, Crown Splash, Spreading, Jetting, Fingering e Bubbling. Os primeiros quatro fenómenos referidos estão de acordo com os resultados experimentais em termos do impacto inicial e da expansão da coroa. O fenómeno de fingering apresentou vários problemas relativos ao desenvolvimento da coroa devido à natureza tridimensional (3D) das instabilidades formadas nos limites externos da coroa. O fenómeno de bubbling não foi possível de recriar numericamente. É necessário compreender a dinâmica deste fenómeno e como, atualmente, a pesquisa atual é escassa, estudos devem ser feitos para entender as peculiaridades da formação deste tipo de cúpulas. Também foi visualizado a ocorrência de prompt splash para as fases iniciais do crown splash e do bubbling, que não correspondiam aos resultados experimentais. Há várias razões que justificam essa discrepância, como a dificuldade de capturar as gotas extremamente pequenas provenientes da atomização secundária ou os métodos de solução forçarem o splash inicial em alguns casos. Em termos de análises futuras, simulações 3D são necessárias para averiguar o número, tamanho e velocidade das gotas provenientes da atomização secundária. O fenómeno de bubbling também requer um estudo mais exaustivo no comportamento da dinâmica do impacto das gotas.
Description
Keywords
Biocombustível Impacto de Gotas Jet Fuel Método Vof Simulação Numérica