Publication
Alternative Liquid Fuels for Aviation Gas Turbines: Experiments and Modelling
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias | |
| datacite.subject.sdg | 07:Energias Renováveis e Acessíveis | |
| dc.contributor.advisor | Silva, André Resende Rodrigues | |
| dc.contributor.advisor | Moita, Ana Sofia Oliveira Henriques | |
| dc.contributor.advisor | Mendes, Miguel Abreu Almeida | |
| dc.contributor.author | Ferrão, Inês Alexandra dos Santos | |
| dc.date.accessioned | 2025-07-21T08:54:21Z | |
| dc.date.available | 2025-07-21T08:54:21Z | |
| dc.date.issued | 2025-05-08 | |
| dc.description.abstract | Air transport plays a crucial role in globalization, connecting people and businesses worldwide. Nonetheless, its reliance on fossil fuels significantly contributes to greenhouse gas emissions and pollution. The continuous growth of this sector, alongside the environmental issues and the depletion of fossil fuels, has promoted the investigation of alternative and sustainable energy sources that could supply the aviation industry. Biofuels, drop-in fuels, are considered a promising alternative since they can offer carbon neutrality and substantially further reduction of pollutant emissions, leading to an attractive replacement for conventional jet fuel. Besides reducing dependence on fossil fuel and offering cleaner combustion, many challenges remain regarding biomass availability, process cost, and fuel properties like energy content, viscosity, and volatility. One of the ways to improve the performance of biofuels could be the addition of nanoparticles. This new fuel generation is noted as nanofuels centered on dispersing nanoparticles stably suspended in conventional liquid fuels. In particular, metallic nanoparticles have shown increased fuel energy density, enhancements in combustion rates, reduced ignition delay and fuel consumption, and decreased emissions. According to the previous discussion, the present study investigates the influence of metallic particles on sustainable aviation fuel. This fundamental study initially focuses on nanofuel preparation and stability to address its potential use in real applications. Several preparation approaches are suggested to maintain the stability of nanofuels, particularly for high particle concentrations. Following this, both experimental and numerical investigations are conducted on the combustion of a single droplet, exploring several furnace temperatures, particle sizes, and concentrations. In light of this, the droplet size evolution, disruptive burning phenomena, and potential mechanisms that affect nanofuel combustion are discussed. The experiments conducted in a drop tube furnace suggest that nanoparticle addition promotes the appearance of disruptive burning phenomena regardless of the furnace temperature and particle and size concentrations. In addition, a departure from the D2 -law is noticed, affecting the droplet burning rate. Based on this, the addition of nanoparticles to a liquid fuel is numerically studied. Subsequently, an experimental analysis of the spray under non reacting conditions is performed. An experimental facility was developed using a commercial air-assisted atomizer with external mixing to ease the operation of nanofuels. Imaging and Phase-Doppler Interferometer techniques were used to understand the breakup length, spray cone angle and droplet size, and velocity distributions for several air-fuel ratios. The findings suggest that in terms of single droplet combustion, the addition of nanoparticles possesses a beneficial role, whereas, in atomization, an adverse impact is observed, particularly when the particle concentration is increased. Finally, the development of a laboratory combustion chamber for liquid fuels is discussed. An experimental setup was designed and constructed, which plays a significant role in researching alternative and sustainable fuels. | por |
| dc.description.abstract | O transporte aéreo desempenha um papel relevante na globalização apresentando vantagens a nível social, económico, entre outros. Porém depende substancialmente de combustíveis fósseis que contribuem para a emissão de gases com efeito de estufa e poluentes. Consequentemente, é necessário identificar fontes de energias alternativas e sustentáveis viáveis para o setor da aviação. Os biocombustíveis surgem como uma alternativa promissora para a substituição do combustível convencional de modo atingir a neutralidade carbónica e redução nas emissões de poluentes. Embora apresente benefícios, existem algumas preocupações relativas à disponibilidade da matéria-prima, custos de produção, e às suas propriedades referente à densidade energética, viscosidade e volatilidade. De modo a melhorar o desempenho destes biocombustíveis, uma solução em análise é a adição nanopartículas. Estes combustíveis são tipicamente designados de nano combustíveis, envolvendo a adição de nanopartículas a um combustível líquido convencional. Especificamente, o uso de partículas metálicas nestes combustíveis tem produzido um aumento na densidade energética e taxa de queima do combustível assim como uma redução no atraso à ignição, consumo e emissões. Assim sendo, este estudo investiga fundamentalmente a influência da adição de partículas metálicas a um biocombustível. Numa fase inicial a preparação e estabilidade do nano combustível foi estudada para avaliar o seu potencial uso em aplicações convencionais. Neste contexto, diversos modos de preparação foram explorados para garantir que o nano combustível permanece estável, principalmente a altas concentrações. Posteriormente, realizouse uma análise experimental e numérica à queima de gota isolada explorando diversas temperaturas do forno assim como diferentes tamanhos e concentrações de partículas. Desta forma, a evolução temporal do diâmetro da gota, fenómenos de queima disruptiva e potenciais mecanismos que afetam a queima de nano combustíveis foram discutidos. Os resultados provenientes do estudo experimental num forno de queda livre indicam que a adição de nanopartículas promove o aparecimento de fenómenos de queima disruptiva independentemente do tamanho e concentração das partículas assim como da temperatura do forno. Adicionalmente, verifica-se um desvio da Lei do D2 afetando também a taxa de queima. Dando ênfase a estes resultados, a influência da adição de nanoparticulas a um combustivel líquido foi avaliada através de uma abordagem numérica. Subsequentemente explorou-se a dinâmica do spray em condições não reativas. Para tal, desenvolveu-se uma instalação experimental, recorrendo ao uso de um atomizador comercial assistido a ar de mistura externa para facilitar no uso de nano combustíveis. Nesta análise duas técnicas, nomeadamente a aquisição, tratamento de imagens e interferometria laser foram utilizadas de modo a concluir uma investigação dedicada ao comprimento da fragmentação, o ângulo de cone do spray e também a distribuição do diâmetro e velocidade das gotas para diferentes razões de ar e combustível. De um ponto vista geral, os resultados sugerem que a nível da queima da gota isolada a adição de nanopartículas possui um efeito benéfico, enquanto, na atomização verifica-se um impacto negativo principalmente quando ocorre um incremento da concentração de partículas. Por fim, desenvolveu-se uma câmara de combustível para combustíveis líquidos desde o seu conceito até à sua construção contribuindo assim para investigações futuras dedicadas a combustíveis alternativos e sustentáveis. | por |
| dc.identifier.tid | 101650795 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/18890 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation | Interfacial COOLing Strategies for high POwer dissipation conversion Technologies | |
| dc.relation | Uncertainty in Cutting and Packing problems: robust planning and optimized replanning in manufacturing and transportation | |
| dc.relation | SMART-HEAT - Surfaces Micro And nanometRically Treated for HEAt Transfer enhancement | |
| dc.relation | Associate Laboratory of Energy, Transports and Aeronautics | |
| dc.relation | 1018P.03201.1.01 | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | |
| dc.subject | Nano combustíveis | |
| dc.subject | Gota Isolada | |
| dc.subject | Spray | |
| dc.subject | Combustão | |
| dc.subject | Jet Fuel Alternativo | |
| dc.title | Alternative Liquid Fuels for Aviation Gas Turbines: Experiments and Modelling | por |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.awardTitle | Interfacial COOLing Strategies for high POwer dissipation conversion Technologies | |
| oaire.awardTitle | Uncertainty in Cutting and Packing problems: robust planning and optimized replanning in manufacturing and transportation | |
| oaire.awardTitle | SMART-HEAT - Surfaces Micro And nanometRically Treated for HEAt Transfer enhancement | |
| oaire.awardTitle | Associate Laboratory of Energy, Transports and Aeronautics | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT/Concurso para Financiamento de Projetos de Investigação Científica e Desenvolvimento Tecnológico em Todos os Domínios Científicos - 2020/PTDC%2FEME-TED%2F7801%2F2020/PT | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT/9471 - RIDTI/PTDC%2FEME-SIS%2F30171%2F2017/PT | |
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| oaire.fundingStream | 9471 - RIDTI | |
| oaire.fundingStream | 2º Concurso para Projetos Colaborativos para Programa do Joint Innovation Center for Advanced Materials - 2017 | |
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| person.givenName | Inês Alexandra dos Santos | |
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| thesis.degree.name | Doutoramento em Engenharia Aeronáutica |