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Advisor(s)
Abstract(s)
The present experimental work focuses on the aerodynamic breakup study of unconventional
fuels. This process refers to the secondary atomization of a drop due to a cross-flow, where
different velocities cause several regimes and structures appear amidst drop deformation of Jet
Fuel mixtures with HVO (hydroprocessed vegetable oil) and water.
The excessive use of fossil fuels has led humans to find viable and environmentally beneficial
alternatives for use in various types of engines and combustion processes. With this, the use of
biofuels has been one of the most sought after alternatives, and its employment in the aeronautical
and aerospace sector is an example of the beneficial use of these fuels.
This dissertation’s objective is to visualize and study the dynamic behaviour of a drop at the
transition points between regimes, for different crossflow velocities. The drops are composed
of: Jet Fuel 100%, Jet Fuel 75% - 25% HVO, Jet Fuel 50% - 50% HVO, and H2O (used as reference
fluid). Considering that present legislation in the aeronautical sector allows a minimum
concentration of 50% Jet Fuel in volume makes the choice of mixtures used in this study have a
more restricted criterion, and therefore other mixtures are not considered.
For this, an experimental facility is designed and built. Consisting of a high-speed camera,
allowing the ability to visualize all the mechanisms inherent to the secondary atomization of a
drop, with a specific trigger activation and desired frame rate; an infusion pump, which allows
control of the insertion rate of drops into the working section. Through flat-head needles with
two different internal diameters, drops of the same size are produced for all fluids; backlighting
through led strips behind a diffuser glass help standardize the light captured by the
camera; a properly calibrated wind-tunnel to is necessary to reach the desired speeds for regime
transitions.
Using the existing literature, a comparison of the phenomena and secondary atomization regimes
for this new group of mixtures is made. After the dynamic study of these mechanisms, the
conclusions are drawn regarding the maximum deformation rate of a drop, taking into account
the dimensionless characterization of time and the dimensionless groups of relevance for this
study. Drop trajectory is also presented for each regime and fluid, and a new correlation is
proposed for maximum cross stream diameter evolution due to time.
O presente trabalho experimental incide sobre o estudo do breakup aerodinâmico de combustíveis não convencionais. Este processo refere-se à atomização secundária de uma gota devido a um escoamento cruzado, onde diferentes velocidades deste provocam vários regimes e estruturas de deformação de uma gota de Jet Fuel e misturas deste com HVO (bio combustível vegetal hidro processado). O uso excessivo de combustíveis fosseis levou o ser humano a encontrar alternativas viáveis e ambientalmente benéficas para o uso em variados tipos de motores e processos de combustão. Com isto, o uso de biocombustíveis tem sido uma das alternativas mais procuradas, e o seu uso no sector aeronáutico e aeroespacial é um exemplo da utilização benéfica destes combustíveis. O objetivo desta dissertação é visualizar e estudar o comportamento dinâmico de uma gota nos pontos de transição entre regimes, para diferentes velocidades de escoamento cruzado. As gotas, são compostas por: Jet Fuel 100%, Jet Fuel 75% - 25% HVO, Jet Fuel 50% - 50% HVO e H2O (usado como fluido de referência). Tendo em conta que a legislação em vigor no sector aeronáutico permite uma concentração mínima, de Jet Fuel, de 50% em volume faz com que a escolha das misturas usadas neste estudo tenha um critério mais restrito, e por isso outras misturas não são estudadas. Para isto, uma instalação experimental foi projetada e construída. Constituída por uma camara de alta velocidade, permitindo a capacidade de visualizar todos os mecanismos inerentes à atomização secundaria de uma gota, acionada com um ”trigger” e com uma exposição e ”frame rate” específicos; uma bomba infusora, que permite o controlo da taxa de inserção de gotas na secção de trabalho através de agulhas de cabeça rasa com dois diâmetros internos diferentes, produzindo gotas do mesmo tamanho para todos os fluidos; retroiluminação através de tiras de led atras de um vidro difusor para uniformizar a luz captada pela camara; um túnel de vento devidamente calibrado para atingir as velocidades necessárias à transição dos respetivos regimes. Utilizando a literatura existente, é feita uma comparação dos fenómenos e regimes de atomização secundária para este novo grupo de misturas utilizadas. Após o estudo dinâmico destes mecanismos foram tiradas as devidas conclusões quanto à taxa de deformação máxima de uma gota, tendo em conta a caracterização adimensional de tempo e os grupos adimensionais de relevância para este estudo. Foi também apresentada a trajetória das gotas para cada regime e fluido, e proposta uma correlação da evolução do diâmetro máximo quanto ao tempo.
O presente trabalho experimental incide sobre o estudo do breakup aerodinâmico de combustíveis não convencionais. Este processo refere-se à atomização secundária de uma gota devido a um escoamento cruzado, onde diferentes velocidades deste provocam vários regimes e estruturas de deformação de uma gota de Jet Fuel e misturas deste com HVO (bio combustível vegetal hidro processado). O uso excessivo de combustíveis fosseis levou o ser humano a encontrar alternativas viáveis e ambientalmente benéficas para o uso em variados tipos de motores e processos de combustão. Com isto, o uso de biocombustíveis tem sido uma das alternativas mais procuradas, e o seu uso no sector aeronáutico e aeroespacial é um exemplo da utilização benéfica destes combustíveis. O objetivo desta dissertação é visualizar e estudar o comportamento dinâmico de uma gota nos pontos de transição entre regimes, para diferentes velocidades de escoamento cruzado. As gotas, são compostas por: Jet Fuel 100%, Jet Fuel 75% - 25% HVO, Jet Fuel 50% - 50% HVO e H2O (usado como fluido de referência). Tendo em conta que a legislação em vigor no sector aeronáutico permite uma concentração mínima, de Jet Fuel, de 50% em volume faz com que a escolha das misturas usadas neste estudo tenha um critério mais restrito, e por isso outras misturas não são estudadas. Para isto, uma instalação experimental foi projetada e construída. Constituída por uma camara de alta velocidade, permitindo a capacidade de visualizar todos os mecanismos inerentes à atomização secundaria de uma gota, acionada com um ”trigger” e com uma exposição e ”frame rate” específicos; uma bomba infusora, que permite o controlo da taxa de inserção de gotas na secção de trabalho através de agulhas de cabeça rasa com dois diâmetros internos diferentes, produzindo gotas do mesmo tamanho para todos os fluidos; retroiluminação através de tiras de led atras de um vidro difusor para uniformizar a luz captada pela camara; um túnel de vento devidamente calibrado para atingir as velocidades necessárias à transição dos respetivos regimes. Utilizando a literatura existente, é feita uma comparação dos fenómenos e regimes de atomização secundária para este novo grupo de misturas utilizadas. Após o estudo dinâmico destes mecanismos foram tiradas as devidas conclusões quanto à taxa de deformação máxima de uma gota, tendo em conta a caracterização adimensional de tempo e os grupos adimensionais de relevância para este estudo. Foi também apresentada a trajetória das gotas para cada regime e fluido, e proposta uma correlação da evolução do diâmetro máximo quanto ao tempo.
Description
Keywords
Atomização Secundária Bio-Combustível Breakup Aerodinâmico Combustão Escoamento Cruzado Estudo Experimental Jet Fuel Sprays