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Advisor(s)
Abstract(s)
The droplet impact can seem a simple subject but the originated mechanisms are really complex
and still not completely understood by the scientific community. These studies are important
for a large variety of areas, however, this thesis is focused on aeronautical applications,
such as fuel injection in aero-engines and coatings. In this way and in order to reduce
fossil fuel consumption, it is proposed to introduce biofuels in the civil aviation sector. This
thesis is divided into three main sections: single droplet impact upon smooth and microstructured
surfaces with variable wettability, single droplet impact upon thin liquid films,
and single droplet impact upon heated smooth surfaces.
For single droplet impact upon dry smooth and micro-structured surfaces with variable wettability,
three perspectives of the phenomenon were acquired: top, lateral, and bottom perspective.
The surface wettability was varied by applying plasma treatments, which do not alter
the roughness of the surface. The structured surfaces were composed of four different arrangements
of regular micro-structures. Deposition, splashing, and rebound were observed
both on the impact with smooth and structured surfaces, and the results were compared with
spreading/splashing thresholds proposed in the literature. The impact morphologies were
identified and analyzed and the spreading phase was studied.
For single droplet impact on thin liquid films, first, the universality of deposition/splashing
boundaries available in the literature was evaluated. Secondly, the study focused on a seldomknown
phenomenon called bubble encapsulation. In this phenomenon, after prompt and
crown splash, the crown sheet walls start to bend inwards and eventually close forming an
empty bubble above the liquid film. The occurrence and repeatability of this phenomenon
were observed as well as their characteristics, formation mechanisms, and phenomenologies.
Finally, an empirical correlation was proposed to predict the onset of bubble encapsulation.
Finally, for the study of droplet impact upon heated smooth surfaces, a heating device was
used to heat a thin stainless steel plate. All four heat transfer regimes were observed and
it was possible to identify differences in the outcomes depending on the amount of biofuel
presented in the mixture. The evaporation time was also evaluated.
O impacto de gotas pode parecer um tema simples, mas os mecanismos que o originam são muito complexos e ainda não são completamente compreendidos pela comunidade cientifica. Estes estudos são importantes para uma grande variedade de áreas, porém esta tese foca-se nas aplicações aeronáuticas, como a injeção de combustível em motores aeronáuticos e em revestimentos. Desta forma e para reduzir o consumo de combustíveis fósseis é proposta a introdução de biocombustíveis no sector de aviação civil. Esta tese é dividida em três principais partes: impacto de uma gota em superfícies lisas ou micro-estruturadas com molhabilidade variável, impacto de uma gota em filmes de líquido finos, e impacto de uma gota em superfícies lisas aquecidas. No impacto de uma gota em superfícies lisas e micro-estruturadas com molhabilidade variável, três perspetivas do fenómeno foram capturadas: perspetiva de topo, lateral e de baixo. Variou-se a molhabilidade da superfície aplicando tratamentos de plasma, que não alteram a rugosidade da superfície. As superfícies estruturadas eram compostas por quatro disposições diferentes de micro-estruturas regulares. Deposição, splashing e rebound foram observados tanto nos impactos com superfícies lisas como estruturadas e os resultados foram comparados com critérios spreading/splashing presentes na literatura. As morfologias do impacto foram identificadas e analisadas e a fase de spreading foi estudada. Para o impacto de gotas em filmes de líquido finos, primeiro, a universalidade dos critérios de deposição/splashing disponíveis na literatura foi avaliada. Em segundo lugar, o estudo focou-se num evento pouco conhecido chamado bubble encapsulation. Neste fenómeno, após prompt e crown splash, as paredes da coroa começam a curvar para dentro e eventualmente fecham formando uma bolha vazia em cima do filme de líquido. A ocorrência e repetibilidade deste fenómeno foi observada tal como as suas características, mecanismos de formação e fenomenologias. Por fim, foi proposta uma correlação empírica que prevê a ocorrência de bubble encapsulation. Finalmente, para o estudo do impacto de uma gota numa superfície lisa aquecida, foi utilizado um sistema de aquecimento para aumentar a temperatura da superfície de uma placa fina de aço inoxidável. Todos os quatro regimes de transferência de calor foram observados e foi possível identificar diferenças nos resultados dependendo da quantidade de biocombustível presente na mistura. O tempo de evaporação também foi medido.
O impacto de gotas pode parecer um tema simples, mas os mecanismos que o originam são muito complexos e ainda não são completamente compreendidos pela comunidade cientifica. Estes estudos são importantes para uma grande variedade de áreas, porém esta tese foca-se nas aplicações aeronáuticas, como a injeção de combustível em motores aeronáuticos e em revestimentos. Desta forma e para reduzir o consumo de combustíveis fósseis é proposta a introdução de biocombustíveis no sector de aviação civil. Esta tese é dividida em três principais partes: impacto de uma gota em superfícies lisas ou micro-estruturadas com molhabilidade variável, impacto de uma gota em filmes de líquido finos, e impacto de uma gota em superfícies lisas aquecidas. No impacto de uma gota em superfícies lisas e micro-estruturadas com molhabilidade variável, três perspetivas do fenómeno foram capturadas: perspetiva de topo, lateral e de baixo. Variou-se a molhabilidade da superfície aplicando tratamentos de plasma, que não alteram a rugosidade da superfície. As superfícies estruturadas eram compostas por quatro disposições diferentes de micro-estruturas regulares. Deposição, splashing e rebound foram observados tanto nos impactos com superfícies lisas como estruturadas e os resultados foram comparados com critérios spreading/splashing presentes na literatura. As morfologias do impacto foram identificadas e analisadas e a fase de spreading foi estudada. Para o impacto de gotas em filmes de líquido finos, primeiro, a universalidade dos critérios de deposição/splashing disponíveis na literatura foi avaliada. Em segundo lugar, o estudo focou-se num evento pouco conhecido chamado bubble encapsulation. Neste fenómeno, após prompt e crown splash, as paredes da coroa começam a curvar para dentro e eventualmente fecham formando uma bolha vazia em cima do filme de líquido. A ocorrência e repetibilidade deste fenómeno foi observada tal como as suas características, mecanismos de formação e fenomenologias. Por fim, foi proposta uma correlação empírica que prevê a ocorrência de bubble encapsulation. Finalmente, para o estudo do impacto de uma gota numa superfície lisa aquecida, foi utilizado um sistema de aquecimento para aumentar a temperatura da superfície de uma placa fina de aço inoxidável. Todos os quatro regimes de transferência de calor foram observados e foi possível identificar diferenças nos resultados dependendo da quantidade de biocombustível presente na mistura. O tempo de evaporação também foi medido.
Description
Keywords
Colisão de gotas Aplicações aeronáuticas Sustainable Aviation Fuel - SAF Transferência de calor Superfícies microestruturadas Molhabilidade Bubble encapsulation Jet Fuel Filmes de liquido Atomização