[pt] Técnicas ópticas não intrusivas foram utilizadas para obter imagens instantâneas e médias de chamas turbulentas não pré-misturadas de etanol e ar estabilizadas num queimador tipo bluff-body. O espalhamento Mie, PLIF (fluorescência induzida em um plano laser) e PIV (velocimetria por imagem de partículas) determinaram a distribuição da densidade de gotas no spray, intensidade da fluorescência do radical OH, para mapear a zona de reação da chama, e o campo da velocidade do ar, respectivamente. Inicialmente propriedades de sprays de água são comparadas quando se variam as vazões de combustível e de ar, mostrando assimetria de duas zonas de máxima intensidade de espalhamento Mie próximas do bocal de injeção, nos casos de maior vazão de jato, e nos casos de menor vazão, o fechamento do filme líquido ocorre na zona central. Em seguida foram estudados dois regimes de combustão que correspondem a duas vazões de combustível, para os quais foram caracterizadas, a partir do sinal de fluorescência do radical OH, a estrutura instantânea e a média das chamas turbulentas o que permitiu identificar zonas de extinção. A superposição das imagens médias do OH-PLIF e de espalhamento Mie permitem evidenciar, no caso de menor vazão, que o spray é completamente envolto pela chama, o que representa um comportamento clássico para o desenvolvimento e uso de modelos de combustão. No caso de maior vazão, o spray interage fortemente com o processo de combustão, sendo este um caso que se afasta das situações clássicas. / [en] A turbulent nonpremixed ethanol spray flame is characterized through experiments using laser diagnostics. The spray burner has been designed to generate a stable flame with the use of a bluff body. The experiments include spatially-resolved measurements of visualization of droplets distribution (Mie scattering), OH fluorescence intensity, which indicates the reaction zone (Planar laser-induced fluorescence, PLIF) and mean air-flow velocity (Particle imaging velocimetry, PIV). Initially, water sprays results are compared corresponding to different flow rates, showing two asymmetric maximum intensity zones of Mie scattering, which are found near the nozzle at jet velocities. For low flow velocity, coalescence of droplets occurs in the central zone. Then two combustion regimes have been studied, using OH PLIF that corresponds to two different fuel flow rates. The instantaneous and average structure of turbulent flames, allowed identifying local extinction regions. Combined Mie scattering/PLIF results allowed determining, in the case of smallest fuel flow rates, that the spray is surrounded by the flame, which represents a classical situation for the development of combustion models for turbulent flames. In the case of larger flow rate, discrepancies from the classical behavior were observed, since droplets interact strongly with the combustion process.

Cette étude s'inscrit dans le cadre de la compréhension des phénomènes ayant lieu dans les chambres de combustion aéronautiques. Ces phénomènes étant multiples et complexes, des simplifications sont nécessaires. L'étude se focalise uniquement sur l'évaporation de gouttelettes bi-composant en écoulements turbulents. De nombreux modèles d'évaporation existent mais l'influence de la turbulence dans le cas d'un spray est encore mal comprise. Alors que la turbulence augmente l'évaporation d'une goutte isolée, elle peut amener à la création d'amas de gouttes qui vont au contraire ralentir l'évaporation. Cette étude a donc pour but de fournir un certain nombre de données quantitatives permettant une meilleure compréhension de ces phénomènes et une amélioration des modèles. L'approche est expérimentale. L'objectif est de quantifier, d'une part l'évaporation et la dispersion de gouttelettes, d'autre part le mélange vapeur dans un écoulement de canal dont les caractéristiques seront connues. Afin de simplifier les conditions expérimentales, la température est moins élevée que dans le cas réel et la pression est la pression atmosphérique. De plus, les gouttelettes sont bi-composant (octane/3-pentanone). Le banc utilisé est divisé en deux parties. Sa partie supérieure est composée d'un système de génération de l'écoulement turbulent et d'un injecteur de gouttelettes. Sa partie inférieure est composée d'une veine dans laquelle l'écoulement diphasique est analysé. L'écoulement porteur est étudié sans le spray par Anémométrie Laser Doppler. L'écoulement présente une forte turbulence, des profils plats de vitesses moyennes et de f uctuations de vitesses, en zone établie. Les propriétés d'isotropie et la décroissance de la turbulence sont proches de celles obtenues en turbulence de grille. La phase dispersée est suivie à chaud à l'aide de deux méthodes : par Anémométrie Phase Doppler et par Fluorescence Laser Induite. L'Anémométrie Phase Doppler permet d'avoir accès simultanément au diamètre et à la vitesse de chaque goutte passant à travers le volume de mesure. En raison de la forte polydispersion, les comportements des gouttelettes vis à vis de la turbulence sont très différents. En revanche, l'homogénéisation est rapide quelque soit la classe de taille. La présence d'amas dont la quantité diminue en aval dans la veine est mis en avant. La Fluorescence Laser Induite mesure la quantité de molécules de 3-pentanone en phase liquide. L'évolution de la concentration liquide, des flux de masse et des amas est décrite. La Fluorescence Induite par Laser permet aussi de suivre la quantité de 3-pentanone en phase vapeur. L'évolution des prof ls radiaux et axiaux de concentration moyenne et des f uctuations de concentration est présentée. L'homogénéisation du mélange est quantifiée. / This work aims to understand the phenomena that occur in a combustion chamber. Due to the complexity of the phenomena encountered, simplifications are made. This study only focuses on multicomponent droplet evaporation in turbulent flows. Many evaporation models exist, but the influence of turbulence on a spray is yet not well understood. On one hand, turbulence increases the droplet evaporation rate. On the other hand, it may generate clusters, in which saturation stops the process. This study aims to give a database that can be used to improve the physical understanding of the process and to improve model performances. This is an experimental approach. The objective is to measure evaporation and dispersion of droplets and vapour mixing in a well-known turbulent flow. In the simplified test case studied here, the temperature is lower than in a real case and the pressure is atmospheric. The droplets are bi-component(octane/3-pentanone). The experimental set-up is divided into two parts. The first part, at the top, consists in a turbulence flow generator and a droplet injection device. The second part is a channel in which the two- hase flow is analysed. The carrier flow is measured using Laser Doppler Anemometry. The main flow properties are : high turbulence levels, flat profiles for the mean velocity and velocity fluctuations. The turbulence decreases and isotropic properties are close to those of grid turbulence. The dispersed phase is measured using Phase Doppler Anemometry (PDA) and Laser Induced Fluorescence (LIF). The velocity and diameter of each droplet passing through the measurement volume is measured by the PDA technique. There is a large variety of droplet behaviours due to the large polydispersion and turbulence. Droplet clusters are measured. Their amounts decrease with the distance from the injector. The concentration of 3-pentanone can be measured with the LIF technique. The evolution of the liquid concentration, mass flux and droplet clusters is described. The mean vapour concentration and its fluctuations are measured along the axial and radial axis. The mixing of the vapour is characterised

No description available.

Des diagnostics optiques non intrusifs ont été utilisés afin d’investiguer les mécanismes gouvernant l’évaporation de trains de gouttes en interaction ou de sprays. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser à deux couleurs (2cLIF) du pyrrométhène 597-8C9 ensemencé en très faible concentration dans le liquide à étudier a été développée pour obtenir la température moyenne de gouttes combustibles mono et bicomposant (alcanes, alcool, cétones) évoluant dans un train de gouttes monodisperse. En parallèle, l’évolution du diamètre des gouttes a été déterminée par interférométrie en diffusion avant. L’évolution temporelle de la température et du diamètre des gouttes en évaporation a été mesurée pour une large gamme de paramètres d’injection et d’interaction. Plusieurs combustibles présentant différentes volatilités ont ainsi été étudiés dans une chambre d’évaporation. Les paramètres caractérisant les transferts de chaleur et de masse représentés par les nombres de Nusselt et de Sherwood, intervenant dans le mécanisme d’évaporation des gouttes en interaction, ont été calculés à partir des données expérimentales, ce qui a permis la caractérisation de l’influence des interactions entre gouttes sur les transferts, en mettant en évidence un effet notable de la volatilité du combustible. Ensuite la technique de 2cLIF a été étendue à la mesure de la température moyenne d’un spray de gouttes binaires composées d’un mélange n-décane / 3-pentanone et injecté dans un écoulement turbulent chauffé. Le développement d’une technique de couplage de la technique LIF avec la granulométrie phase Doppler (PDA) a permis la mesure de températures par classe de taille de goutte / Non intrusive optical diagnostics are used in order to investigate the mechanisms that govern the droplets evaporation. A new technique based on 2-colours laser-induced fluorescence (LIF) of the pyrromethene 597-8C9 was developed to obtain the mean temperature of evaporating bicomponent fuel droplets in a linear monodisperse droplet stream. In parallel size evolution of the droplet was measured thanks to forward scattering methods. Data on evaporating and interacting droplet streaming linearly have been collected for different injection parameters and several monocomponent fuels (alcohol, ketones, alkanes) that exhibit different volatilities and bicomponent fuels (mixture of n-decane and 3-pentanone), in a temperature controlled evaporation chamber. Heat and mass transfers parameters (Nusselt and Sherwood numbers) involved in the evaporation process of interacting droplets are inferred from the experimental data. The result exhibits a strong influence of the volatilities of the fuel on the effect of the interaction on heat and mass transfers. Then the 2-colours LIF technique was extended to measure the mean temperature within a spray made of bicomponent droplets (n-decane / 3-pentanone), injected in a hot air flow where the turbulence and boundary conditions are controlled. By means of a coupling with the PDA (Particle Dynamic Analyser), temperature for each size of droplets was determined

[pt] Uma técnica óptica não intrusiva foi desenvolvida para fornecer imagens instantâneas do filme líquido em escoamento anular horizontal ar-água. Imagens instantâneas das seções longitudinais e tranversais do escoamento revelaram o comportamento dinâmico do filme de líquido ao redor do tubo. A técnica PLIF – Planar Laser Induced Fluorescence – foi utilizada para separar a luz emitida pelo filme daquela (mais intensa) refletida na interface ar-água. A seção de testes utilizada foi fabricada em material com índice de refração próximo ao da água, o que permitiu que regiões muito próximas às paredes fossem estudadas sem distorções ópticas apreciáveis. Imagens longitudinais do filme de líquido foram capturadas utilizando uma câmera de alta velocidade sincronizada com um laser de alta taxa de repetição de pulsos. Foram realizados testes com frequências de aquisição de 250 e 3000 Hz. Um algoritmo computacional foi especialmente desenvolvido para medir automaticamente a posição da interface ar-água em cada imagem. A espessura de filme líquido foi medida em duas posições axiais em cada imagem, gerando dados para a variação temporal da espessura do filme de líquido em duas posições diferentes. As velocidades de propagação das ondas de líquido foram calculadas através da correlação cruzada dos sinais de espessura de filme em função do tempo das duas posições axiais. O espectro de frequência das ondas foi obtido a partir do sinal transiente de espessura do filme de líquido capturado. Os resultados obtidos permitiram estudar a dependência das propriedades do filme líquido com os parâmetros globais do escoamento, tais como as velocidades superficiais de gás e líquido. O trabalho realizado também implementou uma técnica de visualização transversal, empregando para isso duas câmeras digitais de alta velocidade em uma montagem estereoscópica. O laser de alta repetição foi montado de modo que seu feixe iluminasse a seção tranversal do tubo. Imagens obidas com as duas câmeras foram distorcidas usando um alvo de calibração e um polinômio para correção das imagens. Estas imagens distorcidas foram unidas para reconstruir a forma completa do filme de líquido na seção tranversal do tubo em função do tempo. Os resultados obtidos com a técnica estereoscópica desenvolvida constituem-se em uma contribuição original na área de medição de escoamentos bifásicos. Comparações com os resultados disponíveis na literatura indicam que o presente trabalho fornece resultados com níveis de incerteza experimentais equivalentes a outras técnicas bem estabelecidas. Os resultados obtidos com as técnicas desenvolvidas forneceram informações úteis para auxiliar o entendimento do comportamento dinâmico do filme de líquido em escoamentos bifásicos anulares. / [en] A non-intrusive optical technique was employed to provide time-resolved images of the lower portion of the liquid film of horizontal annular flow of air and water, revealing the interfacial wave behavior. Time-resolved images of the pipe cross section revealed the dynamics of the complete liquid film around the pipe wall. The planar laser induced fluorescence technique (PLIF) was implemented to allow for the optical separation of the light emitted by the film from that (more intense) scattered by the air-water interface. The visualization test section was fabricated from a tube material which has nearly the same refractive index as water, what allowed for the visualization of the liquid film at regions very close to the pipe wall. Longitudinal images of the liquid film were captured using a high speed digital video camera synchronized with a high repetition rate laser. Data sets were collected with sampling camera frequencies ranging from 250 to 3000 Hz. A specially developed image processing algorithm was employed to automatically detect the position of the air-water interface in each image frame. The thickness of the liquid film was measured at two axial stations in each processed image frame, providing time history records of the film thickness at two different positions. Wave velocities were measured by cross-correlating the amplitude signals from the two axial positions. Wave frequency information was obtained by analyzing the time-dependent signals of film thickness recorded. The results obtained allowed for the verification of the variation of the liquid film characteristics with global flow parameters, such as the liquid and gas flow superficial velocities. For the film cross section observations, two high speed digital video cameras were used in a stereoscopic arrangement. The high repetition rate laser had its laser sheet mounted so as to illuminate a pipe cross section. Images from the left and right cameras were distorted by the use of a calibration target and an image correction algorithm. Distorted images from each camera were then joined to yield the complete instantaneous cross section image of the liquid film. Comparisons with results from different techniques available in literature indicate that the present technique presents equivalent accuracy in measuring the liquid film properties. The stereoscopic technique developed is an original contribution of the present work to the set of experimental techniques available for the study of two-phase flows. Time–resolved images of longitudinal and cross section views of the film were recorded and analyzed, what constitutes in valuable information for the understanding of the dynamics of the liquid film in horizontal annular flow.

Les propulseurs de Hall sont l’une des techniques de propulsion fusée par plasma les plus utilisés. Ils possèdent une impulsion spécifique moyenne et un haut rapport poussé sur puissance qui les rend idéal pour une grande partie des applications commerciales et scientifiques. Une de leurs limitations principales est l’érosion des parois du propulseur par le plasma qui réduit leur durée de vie. La topologie dite “d’écrantage magnétique” est une solution proposée pour prolonger cette durée de vie. Elle est ici appliquée à un petit propulseur de Hall de 200W. Dans cette thèse les règles de mise à l’échelle pour les propulseurs de Hall de la gamme de 100 à 200W sont testées expérimentalement. Un propulseur écranté de 200W est comparé avec un propulseur standard similaire. Le comportement des ions dans ces deux moteurs est extrêmement différent. Des mesures de performance ont été réalisées avec des parois en BN-SiO2 et graphite. Le courant de décharge augmente de 25% avec le graphite dans le propulseur non-écranté. Le résultat et un rendement maximum de 38% avec le nitrure de bore mais de seulement 31% pour le graphite. Le propulseur écranté quant à lui n’atteint que 25% de rendement quel que soit le matériau.Cette baisse de performance dans les petits moteurs écrantés peut être attribuée à un mauvais rendement d’utilisation de l’ergol. Analyses des résultats expérimentaux ainsi que la conduite de simulations suggèrent que cela est dû au fait que la zone d’ionisation ne couvre pas l’ensemble du canal de décharge. Un nouveau design pour un petit propulseur de Hall écranté est proposé. / Hall thrusters are one of the most used rocket electric propulsion technology. They combine moderate specific impulse with high thrust to power ratio which makes them ideal for a wide range of practical commercial and scientific applications. One of their limitations is the erosion of the thruster walls which reduces their lifespan.The magnetic shielding topology is a proposed solution to prolong the lifespan. It is implemented on a small200W Hall thruster.In this thesis the scaling of classical unshielded Hall thrusters down to 200 and 100W is discussed. A 200W low power magnetically shielded Hall thruster is compared with an identically sized unshielded one. The ion behavior inside the thruster is measured and significant differences are found across the discharge channel.Both thrusters are tested with classical BN-SiO2 and graphite walls. The magnetically shielded thruster is not sensitive to the material change while the discharge current increase by 25% in the unshielded one. The result is a maximum efficiency of 38% for boron nitride in the unshielded thruster but only 31% with graphite.The shielded thruster achieves a significantly lower efficiency with only 25% efficiency with both materials.Analysis of the experimental results as well as simulations of the thrusters reveal that the performance difference is mostly caused by low propellant utilization. This low propellant utilization comes from the fact that the ionization region doesn’t cover all of the discharge channel. A new magnetically shielded thruster is designed to solve this issue.

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. / 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.

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. / 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.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:26:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fabiano Meira Luz.pdf: 2485302 bytes, checksum: 8a6331dbf4508b235557d3d643c996a7 (MD5) Previous issue date: 2013-04-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The process of drainage of organic soils can significantly alter the dynamics of soil organic matter (SOM), as it promotes the oxygenation of the medium and accelerates microbial activity. The spectroscopic techniques of electron paramagnetic resonance (EPR), laser induced fluorescence (LIF) and absorption in the UV-Visible were used in the study of humification of soil organic matter (SOM) not physically or chemically fractionated.. Soil samples were collected in a low land area in the city of Ponta Grossa - PR submitted to three different historical uses. They are R: reforestation DCF: drainage, cultivation and fallow; DF: Drain and fallow. The results indicate differences in the degree of humification of samples from drained and non-drained areas. The data suggest that the non-drained soil of the area R has a lower decomposition rate in the deeper profiles where the availability of O2 is lower. In the drained areas, DF and DCF, the degree of humification of SOM profile at 0.0 - 0.1 m is always less humified, as verified by all the techniques. / O processo de drenagem dos solos orgânicos pode alterar significativamente a dinâmica da matéria orgânica do solo (MOS), pois promove a oxigenação do meio e acelera a atividade microbiana. As técnicas espectroscópicas ressonância paramagnética eletrônica (RPE), fluorescência induzida a laser (FIL) e absorção no UV-visível foram utilizadas no estudo da humificação da matéria orgânica do solo (MOS), não fracionadas física ou quimicamente. As amostras de solo foram coletadas em área de várzea localizada na cidade Ponta Grossa – PR e submetidas a três diferentes históricos de uso. A saber, reflorestamento – R, drenagem-cultivo e pousio – DCP; drenagem e pousio – DP. Os resultados obtidos apontam diferenças entre o grau de humificação das amostras das áreas drenadas e não drenadas. Os dados indicam que o solo não drenado da área R, tem menor taxa de decomposição nos perfis mais profundos, onde a disponibilidade de O2 é menor. Nas áreas drenadas, DP e DCP, o grau de humificação da MOS no perfil 0,0 - 0,1 m apresenta-se menos humificado, resultado encontrado por todas as técnicas.

Cette thèse a eu pour objectif le développement d’un contrôle du profil de rotation d’une colonne de plasma. Cette étude est menée dans le but du développement d’une nouvelle génération d’expériences utilisant les plasmas à fort taux d’ionisation pour étudier les phénomènes d’induction magnétique. Au cours de cette thèse, un grand nombre de techniques de mesures optiques et électrostatiques ont été mis en place. Ces dispositifs expérimentaux ont permis la caractérisation de l’évolution des paramètres plasmas en fonction des paramètres expérimentaux et une meilleure description du plasma. Une attention particulière a été porté à la mesure de la température ionique du plasma par deux dispositifs optiques différents : un Fabry-Pérot de grande finesse et un dispositif de Fluorescence induite par laser (LIF). L’établissement du profil de vitesse azimutal du plasma a été mesuré grâce à des sondes de Mach et expliqué en s’appuyant sur les profils radiaux des paramètres plasmas. L’impact sur cette vitesse azimutale de l’injection localisée de courant dans le plasma par une électrode émissive de grande taille a été étudié. Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler la forme du profil de vitesse ainsi que son amplitude grâce à ce dispositif d’injection de courant. Enfin, l’apparition d’ondes de dérives pour de fort champs magnétiques a été observée, ainsi que l’interaction entre l’émission de courant dans le plasma et la dynamique de ces ondes. / The goal of this PhD is to develop a setup controlling the rotation profile of a plasma column. This study is realized within the aim of developing a new type of experiments using the strongly ionized plasmas to study magnetic induction phenomena. A great number of plasma diagnostics have been set up during the PhD, including electrostatic and optical diagnostics. These measurement technics have allowed us to characterize the evolution of the plasma parameters depending on the experimental conditions and to build a better description of the plasma. A special focus has been made on the measurement of the ion temperature by two different setups: a Fabry-Pérot with a high finesse and a Laser Induced Fluorescence (LIF) setup. The mean azimuthal velocity profile of the plasma has been measured using Mach probes and explained based on the plasma parameters radial profiles. The effect of localized current injection inside the plasma by a large size emissive electrode has been studied. We have shown that the shape and the amplitude of the velocity profile can be controlled thanks to this setup. Finally, the appearance of drift waves with high magnetic fields has been observed, along with the interaction between the current injection and the dynamic of these waves.