The ignition process is a critical consideration for combustion devices. External energy transfer to the combustor is required for ignition in common combustion systems. There are many ways to deposit energy into the flow but a standard method is a spark discharge because it is simple, compact, and reliable. Sparks can be categorized as either inductive or capacitive sparks that use a coil or an electrical resonance circuit with capacitor, respectively, to amplify the voltage. The creation of a successful ignition event depends on the spark energy deposited into the flow, the initial composition, pressure, temperature, turbulence level of flow etc. The deposited energy by the spark into the flow is critical for estimation of initial energy available for ignition of the mixture. Therefore, the electrical characteristics of the sparks were investigated under various flow conditions. Then measurements of deposited energy into the flow were conducted using a very accurate experimental procedure that was developed in this research. The results showed considerable electric energy losses to the electrodes for the relatively long, inductive sparks. However, the short, capacitive spark deposits electric energy into the flow with minimal loss (above 90% deposition efficiency). In addition, the characteristics of inductive spark are affected by flow velocity and by the existence of a flame. However, variations in the flow conditions do not affect the characteristics of the capacitive spark such as voltage-current time trace and energy deposition efficiency. Two ignition systems using above mentioned two spark types were developed. First, the capacitive spark energy was directly deposited into the premixed flow. Most researchers have not concentrated on the early initiation process but on the flame growth. Therefore, the generated kernel formed by the energy deposition was observed and characterized using optical methods, immediately following the spark. In addition, the mixing effect for this ignition kernel with surrounding gas was simulated using a numerical method. Based on the time trace of the OH* chemiluminescence, the reaction starts with the discharge and it is continuous until combustion begins. This means that in the presence of a high density spark in premixed flow, there exists no traditional delay as defined by other researchers for auto ignition. A simple Radical Jet Generator (RJG) was developed that is able to ignite and stabilize a flame in a high-speed flow. The inductive spark initiates the combustion in the RJG chamber. The RJG then injects the partially-burned products carrying large amounts of heat and radicals into a rapidly moving flammable main stream. Then it ignites and stabilizes a flame. The RJG requires low levels of electrical power as long as the flow velocity is relatively low since most of the radicals are produced by the incomplete combustion in its chamber. The importance of radicals was analyzed by RJG experiments and numerical methods. The reaction zone for RJG using a rich mixture was located both inside and outside of the RJG chamber. Therefore, the RJG using a rich mixture performed better in the ignition and stabilization of combustion in the main flow. According to an analysis using the CHEMKIM simulation software combined with the San Diego chemical mechanism, the RJG jet resulting from a rich mixture contains more radicals and intermediates than that produced by a lean mixture for the same sensible enthalpy. In addition, the burned gas contains less radicals and intermediates than the partially burned gas. If the RJG is operating with a high speed main flow, the flow rate through the RJG chamber must be increased to allow the radical jet to penetrate well into the rapid flow due to their higher injection velocity. Unfortunately, this leads to unsteady combustion in the RJG, which results in the pulsation of the radical jet. This reduces the number of radicals injected into the main flow. To investigate this operating condition, special attention was focused on four possible factors: unburned reactant pockets caused by motion of the spark channel, spark frequency, flame propagation speed and ignition delay. It was shown that the unsteadiness is affected by the flame speed and ignition delay because the frequency of pulsation in the chamber is highly dependent on the equivalence ratio. In addition, the interaction between the RJG operation and the combustion dynamics in the main combustor was documented. The acoustic pressure oscillations in the main combustor were suppressed when the RJG jet was turned on because the reaction region is relocated by the operation of the RJG.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第24253号 / エネ博第451号 / 新制||エネ||84(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 川那辺 洋, 教授 林 潤, 教授 澄川 貴志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

[ES] El proceso de combustión en llamas de difusión de combustible atomizado es un fenómeno multifásico altamente complejo que a día de hoy no se comprende en su totalidad, ya que involucra varios eventos simultáneos, como atomización, vaporización y cinética química. A lo largo de los años, los investigadores han estudiado a fondo la combustión en llamas de combustibles líquidos, con el fin de comprender los procesos fundamentales como clave para reducir las emisiones contaminantes y mejorar la eficiencia de la propulsión de las aeronaves. En los últimos años, la evolución tanto en la tecnología de inyección como en la de combustión ha permitido mejorar el proceso de mezcla por aspersión y la eficiencia del motor y, por tanto, reducir las emisiones contaminantes. Por lo que, diferentes configuraciones de tipo de inyector y distribución de aire dentro de la cámara de combustión han demostrado ser capaces de reducir el consumo de combustible, así como las emisiones de óxidos de nitrógeno y hollín sin afectar el rendimiento del motor. Esta tesis proporciona una metodología experimental para estudiar los efectos de las condiciones de co-flujo, el caudal másico de combustible, el tipo de combustible y el diámetro de salida del quemador sobre la atomización y la combustión de la llama producida en un quemador anular bajo condiciones de operación pobres. La caracterización del chorro sin combustión se realizó mediante dos técnicas ópticas diferentes. Por un lado, se utilizó velocimetría de imagen de partículas para medir los campos de velocidad del espray. Por otro lado, retroiluminación microscópica difusa (MDBI) para medir el tamaño y la velocidad de las gotas. Los resultados mostraron que ambos están controladas principalmente por el tipo de combustible y el caudal másico del mismo. Sin embargo, la variación de la velocidad de co-flujo no mostró un efecto significativo en las características de las gotas (tamaño y velocidad), lo que probablemente se deba a que el campo de visión de la técnica MBDI estaba muy cerca de la punta del inyector. Adicionalmente, al incrementar la temperatura de co-flujo se observó que el diámetro promedio de gota disminuía, lo cual es causado por la evaporación del combustible. Finalmente, las variaciones en los perfiles de tamaño y velocidad de las gotas al variar el diámetro de salida de aire se relacionaron con la variación de la velocidad del co-flow, lo que afectaba la evaporación y el arrastre de las gotas. Para el estudio de la llama en condiciones reactivas, se probó en condiciones de operación que permitan llama estabilizadas, utilizando tres técnicas ópticas diferentes, las cuales se activaron simultáneamente. La extinción de luz difusa se utilizó para determinar el espesor óptico del hollín. Además, se emplearon las técnicas de quimioluminiscencia OH* y MDBI para medir la altura de despegue de la llama y las características de las gotas, respectivamente. Los resultados mostraron que la velocidad y temperatura del co-flujo, y el tipo de combustible influyen fuertemente en la altura de despegue de la llama. Mientras que en la formación hollín los parámetros más influyentes fueron la velocidad del co-flujo y el tipo de combustible. Con respecto a los resultados de la evaporación de las gotas, se observó que el tamaño inicial y las propiedades del combustible controlan su evaporación. El combustible n-Dodecano es el menos volátil y tiene un tamaño de gota inicial más grande y, por lo tanto, las gotas tardaron más en evaporarse, lo que resultó en una mayor longitud de despegue de la llama y una mayor formación de hollín debido a su mayor tendencia a formar hollín. Por el contrario, las gotas de n-Heptano se evaporaron más rápido, lo que resultó en una altura de despegue de la llama más corta y también en una menor formación de hollín. Finalmente, el combustible n-Decano mostró resultados intermedios para la evaporación de gotas, la altura de despegue de la llama y la formación de hollín. / [CA] El procés de combustió en flames de difusió de combustible atomitzat és un fenomen multifásico altament complex que a hores d'ara no es comprén en la seua totalitat, ja que involucra diversos esdeveniments simultanis, com a atomització, vaporització i cinètica química. Al llarg dels anys, els investi- gadors han estudiat a fons la combustió en flames de combustibles líquids, a fi de comprendre els processos fonamentals com a clau per a reduir les emissions contaminants i millorar l'eficiència de la propulsió de les aeronaus. En els últims anys, l'evolució tant en la tecnologia d'injecció com en la de combustió ha permés millorar el procés de mescla per aspersió i l'eficiència del motor i, per tant, reduir les emissions contaminants. Pel que, diferents configuracions de tipus d'injector i distribució d'aire dins de la cambra de combustió, han demostrat ser capaços de reduir el consum de combustible, així com les emissions d'òxids de nitrogen i sutja sense afectar el rendiment del motor. Aquesta tesi proporciona una metodologia experimental per a estudiar els efectes de les condicions de co-flux, el cabal màssic de combustible, el tipus de combustible i el diàmetre d'eixida del cremador sobre l'atomització i la combustió de la flama produïda en un cremador anul·lar sota condicions d'operació pobres. La caracterització del doll sense combustió es va realitzar mitjançant dues tècniques òptiques diferents. D'una banda, es va utilitzar velocimetría d'imatge de partícules per a mesurar els camps de velocitat de l'esprai. D'altra banda, retroil·luminació microscòpica difusa (MDBI) per a mesurar la grandària i la velocitat de les gotes. Els resultats van mostrar que tots dos estan controlades principalment per la mena de combustible i el cabal màssic d'aquest. No obstant això, la variació de la velocitat de co-flux no va mostrar un efecte significatiu en les característiques de les gotes (grandària i velocitat), la qual cosa probablement es deu al fet que el camp de visió de la tècnica MBDI estava molt prop de la punta de l'injector. Addicionalment, en incrementar la temperatura de co-flux es va observar que el diàmetre mitjà de gota disminuïa, la qual cosa és causat per l'evaporació del combustible. Finalment, les variacions en els perfils de grandària i velocitat de les gotes en variar el diàmetre d'eixida d'aire es van relacionar amb la variació de la velocitat del co-flux, la qual cosa afectava l'evaporació i l'arrossegament de les gotes. Per a l'estudi de la flama en condicions reactives, es va provar en condicions d'operació que permeten flama estabilitzades, utilitzant tres tècniques òptiques diferents, les quals es van activar simultàniament. L'extinció de llum difusa es va utilitzar per a determinar la grossària òptica del sutge. A més, es van emprar les tècniques de quimioluminescència OH* i MDBI per a mesurar l'altura d'enlairament de la flama i les característiques de les gotes, respectivament. Els resultats van mostrar que la velocitat i temperatura del co-flux, i el tipus de combustible influeixen fortament en l'altura d'enlairament de la flama. Mentre que en la formació sutge els paràmetres més influents van ser la velocitat del co-flux i el tipus de combustible. Respecte als resultats de l'evaporació de les gotes, es va observar que la grandària inicial i les propietats del combustible controlen la seua evaporació. El combustible n-Dodecano és el menys volàtil i té una grandària de gota inicial més gran i, per tant, les gotes van tardar més a evaporar-se, la qual cosa va resultar en una major longitud d'enlairament de la flama i una major formació de sutge degut a la seua major tendència a formar sutge. Al contrari, les gotes de n-Heptano es van evaporar més ràpid, la qual cosa va resultar en una altura d'envol de la flama més curta i també en una menor formació de sutja. Finalment, el combustible n-Decano va mostrar resultats intermedis per a l’evaporació de gotes, l’altura d’envol de la flama i la formació de sutja / [EN] The combustion process in spray flames is a highly complex multi-phase phenomenon that is still not completely understood since it involves several simultaneous events, such as atomization, vaporization, and chemical kinetics. Over the years, researchers have studied the combustion in spray flames thoroughly, in order to understand the fundamental processes as key to re- duce pollutant emissions and improve the efficiency of aircraft propulsion. In recent years, the evolution in both injection and combustion technology has allowed to improve the spray mixing process and engine efficiency and hence, reducing pollutant emissions. Therefore, different configurations of injector type and air distribution inside the combustion chamber have proved capable of reducing fuel consumption, as well as emissions of nitrogen oxides and soot without affecting the engine performance. This thesis provides an experimental methodology to study the effects of co-flow conditions, fuel mass flow rate, fuel type and air outlet diameter at the burner exit on the atomization and combustion behavior of the spray flame produced on an annular spray burner under lean conditions. The characterization of the liquid spray without combustion was carried out using two different optical techniques. On the one hand, particle image velocimetry was used to characterize the global velocity fields of the spray. On the other hand, Microscopic diffused back-illumination (MDBI) to measure the size and droplet velocity at a field of view close to the injector tip. The results exhibited that both droplet size and droplet velocity are mainly controlled by the fuel type and fuel mass flow rate. Nevertheless, the variation of the co-flow velocity did not show a significant effect on droplet characteristics (size and velocity), which is likely due to the fact that the field of view of the MDBI technique was located very close to the injector tip. Additionally, by increasing the co-flow temperature, it was observed that the mean droplet size decreased, which is caused by the fuel evaporation process. Finally, the variations in the droplet size and velocity profiles when varying the air outlet diameter were related to the velocity variation when modifying the cross-sectional area at the burner outlet, which affects the evaporation and drag of the drops. On the spray development in reactive conditions, it was investigated in the operating conditions that promote stabilized flames, using three different optical techniques, all of which were triggered simultaneously. The light extinction was used to determine the optical thickness through the soot cloud. In addition, OH* chemiluminescence and the MDBI techniques were employed to measure the flame lift-off height and droplet characteristics, respectively. The results exhibited that the co-flow velocity, co-flow temperature and fuel type strongly influence the flame lift-off height. While in the soot formation the most influential parameters were the co-flow velocity and the type of fuel. Regarding the results of the droplet evaporation, it was observed that the initial droplet sizes and the fuel properties control the droplet evaporation process. n-Dodecane fuel is the least volatile and also exhibited a larger initial droplet size and thus, the droplets took more time to evaporate than the other two fuels, resulting in a longer flame lift-off height and likewise higher soot formation by its greater tendency to form soot. Contrary, n-Heptane droplets evaporated faster, resulting in a shorter flame lift-off height and also less soot formation. Finally, n-Decane showed intermediate results for droplet evaporation, flame lift-off height, and soot formation. / Cardona Vargas, S. (2021). Development of a test rig for the study of the atomization and combustion of a spray flame in an atmospheric annular spray burner at lean conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179994