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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2014.tde-26082015-104625
Documento
Autor
Nome completo
Newton Kiyoshi Fukumasu
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Krieger Filho, Guenther Carlos (Presidente)
Hochgreb, Simone
Lacava, Pedro Teixeira
Silva, Luís Fernando Figueira da
Yanagihara, Jurandir Itizo
Título em português
Análise experimental da influência da frequência de injeção de combustível em chamas pulsadas de spray de etanol.
Palavras-chave em português
Combustão
Etanol
Fluorescência Induzida por Laser (LIF)
Interferometria por Efeito Doppler (PDI)
Resumo em português
E consenso que o crescente consumo de combustíveis fósseis na geração de potencia tem provocado uma maior degradação do meio ambiente. Para mitigar os efeitos adversos desse consumo, novas fontes e usos sustentáveis de energia são necessários. O uso de etanol na atual geração de motores de combustão interna demanda informações detalhadas sobre os processos de nebulização, evaporação, mistura e combustão das gotas desse combustível. Adicionalmente, novas estratégias de injeção de combustível em MCIs com injeção direta estão em desenvolvimento, como a injeção estraticada. Essa estratégia consiste na injeção de combustível em elevadas frequências durante as etapas de admissão e combustão do ciclo motor. Neste trabalho, técnicas avançadas de diagnostico a laser são utilizadas para analisar a inuência da frequência de injeção de combustível no processo de combustão de sprays pulsados de etanol, em que as chamas resultantes são estabilizadas por um swirler. A técnica de interferometria por efeito Doppler (PDI) foi utilizada para medir o diâmetro e a componente axial da velocidade das gotas. O campo de velocidades do escoamento de ar foi avaliado pela técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV) em duas taxas de aquisição (7,4 Hz e 2.000 Hz) para avaliar tanto valores médios quanto rastrear estruturas coerentes no escoamento. O mesmo sistema PIV foi utilizado para identificar a posição de aglomerados de gotas pela técnica de espalhamento Mie ao longo de eventos individuais de injeção. Já a técnica de uorescência induzida por laser do radical hidroxila (LIF-OH) foi utilizada com taxa de aquisição de 4.700 Hz para rastrear a região com presença deste radical próximo ao queimador utilizado. Imagens da luminescência química espontânea foram obtidas para observar características globais das chamas. O queimador, posicionado em um ambiente aberto, e composto por um dispositivo swirler e um injetor automotivo. As frequências de injeção de 100 Hz, 250 Hz e 400 Hz foram escolhidas para as análises por produzirem chamas com características que variam desde uma chama estável e ancorada ao queimador até o comportamento similar a uma chama suspensa e instável. Etanol anidro líquido foi utilizado como combustível e fornecido ao injetor a pressão e vazão constantes para todos os casos. Os resultados indicaram que a variação na frequência de injeção produziu sprays com diferentes densidades. A menor frequência de injeção produziu um spray com maior densidade, em que as gotas formaram um aglomerado pouco sensível ao escoamento de ar na linha de centro do queimador. Esse aglomerado produz uma chama ancorada ao queimador com formato alongado e estreito. Já a maior frequência de injeção produziu um spray com menor densidade, permitindo que a dinâmica das gotas seja mais susceptível ao escoamento de ar. Essa maior inuência do escoamento de ar promoveu uma maior dispersão espacial das gotas e um processo de combustão com maior susceptibilidade a instabilidades locais do escoamento. Essas instabilidades locais foram associadas a passagem periódica de estruturas coerentes do escoamento de ar através da região de reação das chamas, produzindo uma chama com presença intermitente do radical OH e ausência de emissão de luminescência química espontânea próximo a saída do queimador.
Título em inglês
Experimental analysis of fuel injection frequency of pulsed ethanol spray flames.
Palavras-chave em inglês
Combustion
Ethanol
Laser-induced Fluorescence (LIF)
Phase Doppler Interferometry (PDI)
Resumo em inglês
The increase in consumption of petroleum-based fuels promotes environmental degradation and, to mitigate the adverse effects of this consumption, new sustainable sources and uses of energy are required. The use of ethanol as an option to conventional fuels on current generation of engines and gas turbines requires detailed information on atomization, evaporation, mixture and combustion processes of ethanol droplets. In addition, new strategies to fuel injection in ICEs are being developed, such as the stratied fuel injection. In this strategy, fuel is injected in higher injection frequencies along the air intake and combustion phases of the engine cycle. In this work, advanced techniques of laser diagnostic are applied to analyze the inuence of fuel injection frequency on the behavior of the combustion process of pulsed ethanol sprays, in which the resulting ames are stabilized by a swirler. The Phase Doppler Interferometry (PDI) technique is applied to measure both diameter and axial velocity of droplets produced by the injector under different conditions of injection frequency. The velocity eld of the airow is evaluated by the Particle Image Velocimetry (PIV) using two repetition rates (7,4 Hz and 2.000 Hz) to evaluated both mean values and to track coherent structures in the ow. The PIV equipment is also used to evaluate the position of droplet groups by Mie scattering during the individual injection events. A high repetition rate (4.700 Hz) Laser Induced Fluorescence of hydroxyl radical (LIF-OH) system is applied to track the region with presence of OH in a vertical plane near the exit of the burner. Images of spontaneous chemical luminescence are acquired to analyze general aspects of the ames. The burner consists on a swirler and an automotive injector and is positioned in an open space with quiescent air. The analyzed injection frequencies are 100 Hz, 250Hz and 400 Hz, presenting characteristics ranging from a stable anchored ame to a lifted-like unstable ame. Liquid anhydrous ethanol is delivered to the injector with constant pressure and ow rate for all cases. Results show different spray densities produced by the change in the injection frequency. The case with lower injection frequency produced higher spray densities, in which the formation of large groups of droplets prevents the inuence of the recirculating airow on droplet dynamics. This case presented an anchored, elongated, narrow and stable ame. The case with higher injection frequency produced lower spray densities, in which droplet dynamics are more susceptible to the velocities of the airow. This inuence of the airow promotes spatial dispersion of droplets, been more prone to instabilities on the local combustion process. These local instabilities are associated to the inuence of periodic coherent structures of the ow passing through the reaction zone, which leads to the intermittent presence of OH and the absence of spontaneous chemical luminescence near the injection plane of the burner.
 
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Tese_Newton.pdf (52.31 Mbytes)
Data de Publicação
2015-09-01
 
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