Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide.

Coffee crop is an important agricultural and economic activity in Brazil. The country is the greatest coffee producer and exporter, and has in the state of Minas Gerais the major national producer. One of the biggest problems faced by coffee farmers is the susceptibility of the plants to several pests and diseases. Among these, the leaf-miner, considered a key pest of the crop, occurs in almost all producing regions. Pest management has been successful by employing chemical control; however, the crop presents many challenges for application technology, such as dense foliage development and variations in the canopy. This study evaluated spray deposition on leaves of coffee arabica (Coffea arabica L.), and its loss to soil resulting from the pulverization of two application volumes and two spray nozzle types. The work was conducted at Glória s farm, property of the Federal University of Uberlândia, Uberlândia-MG, in 11 years old coffee arabica cultivar Catuaí IAC 99, in september 2012. The experiment was a 2x2 factorial, with two nozzles, (ATR) hollow cone and (TVI) hollow cone with air induction, and two volumes, 200 L ha-1 and 500 L ha-1. Brilliant Blue coloring was added to the tank mixture, at a fixed concentration of 300 g ha-1. Leaves were collected from upper and lower halves of plant canopies and glass slides were positioned on the ground under the plant canopy to collect spray drippings. The concentration contained in the samples was determined by light absorption spectrophotometry. Also, a study of statistical process control (SPC) was conducted, allowing the evaluation of the behavior of the variables in their repetitions within treatments. The use of hollow cone tips with air induction together with greater spray volume (500 L ha-1) was a good option for spray deposition in coffee leaves. At the lower half of the canopy, spray deposition was similar using both 200 L ha-1 and 500 L ha-1, which demonstrates the feasibility of using the reduced spray volume. The hollow cone with air induction nozzle resulted in greater losses to the soil. The analysis of the control charts (SPC) related to treatments showed that no great variability among the sampling points was found, indicating good quality standard from the statistical point of view. / A cafeicultura é no Brasil uma importante atividade agrícola e econômica. O País é o maior produtor e exportador mundial, tendo o estado de Minas Gerais como o principal produtor nacional. Um dos grandes problemas enfrentados pelos cafeicultores é a suscetibilidade das plantas a várias pragas e doenças. Dentre estas, destaca-se o bicho-mineiro, considerado praga-chave da cultura, ocorrendo em praticamente todas as regiões produtoras. Para o manejo desta praga, tem sido empregado o controle químico, no entanto a cultura apresenta diversos desafios para a tecnologia de aplicação dos produtos fitossanitários; as plantas apresentam densa folhagem e variações nos aspectos da copa. O objetivo deste trabalho foi estudar a deposição de calda pulverizada em folhas de cafeeiro (Coffea arábica L.) e a perda para o solo proporcionada pela aplicação com dois volumes de calda e dois tipos de pontas de pulverização. O trabalho foi conduzido na Fazenda do Glória, de propriedade da Universidade Federal de Uberlândia, em Uberlândia-MG, em lavoura de café arábica cultivar Catuaí IAC 99 com 11 anos de idade, em setembro de 2012. O experimento foi instalado em delineamento inteiramente casualizado, com quatro tratamentos e oito repetições, em esquema fatorial 2x2, com duas pontas de pulverização, jato cônico vazio (ATR) e jato cônico vazio com indução de ar (TVI), e dois volumes de calda, 200 e 500 L ha-1. Adicionou-se à calda o traçador Azul Brilhante, em dose fixa de 300 g ha-1. Foram coletadas folhas das metades superior e inferior da copa das plantas, bem como lâminas de vidro posicionadas no solo sob a copa das mesmas, das quais foi retirado e quantificado o traçador contido nas amostras por espectrofotometria de absorção de luz. Foi conduzido também um estudo de Controle Estatístico de Processo (CEP), que permitiu avaliar o comportamento das variáveis em suas repetições dentro dos tratamentos. O uso de pontas de jato cônico vazio com indução de ar mostrou-se viável quanto à deposição de calda no cafeeiro, principalmente junto com o uso do maior volume de calda (500 L ha-1). Na parte inferior da cultura, a deposição de calda foi semelhante empregando-se 200 L ha-1 ou 500 L ha-1, o que demonstra a viabilidade do uso do volume de calda reduzido. O uso da ponta de jato cônico vazio com indução de ar proporcionou maiores perdas para o solo. A análise das cartas de controle referentes aos tratamentos avaliados mostrou que não ocorreu grande variabilidade entre os pontos amostrais, indicando bom padrão de qualidade sob o ponto de vista estatístico. / Mestre em Agronomia

The phenomenon of spray in crossflow is of relevance in gas turbine combustor development. The current work focuses on spray in crossflow rather than liquid jet in crossflow from the standpoint of enhancing fuel dispersion and mixing. Specifically, the first part of the work involves study of spray structure, droplet sizing, and velocimetry for sprays of water and ethanol in a crossflow under ambient conditions. Laser-based diagnostic techniques such as Particle/Droplet Image Analysis (PDIA) and Particle Tracking Velocimetry (PTV) are utilized. Using spray structure images, trajectory equations are derived by multi-variable regression. It is found that the spray trajectory depends only on the two-phase momentum ratio and is independent of other flow parameters. A generalized correlation for the spray trajectory is proposed incorporating the liquid surface tension, which is found to be effective for our data, with water and ethanol, as well as data on Jet-A from the literature for a wide variety of operating conditions. An interesting phenomenon of spatial bifurcation of the spray is observed at low Gas-to-Liquid ratios (GLRs). The reason for this phenomenon is attributed to the co-existence of large and highly deformed ligaments along with much smaller droplets at low GLR conditions. The smaller droplets lose their vertical momentum rapidly leading to lower penetration, whereas the larger ligaments/droplets penetrate much more due to their larger momentum leading to a spatial separation of the two streams. The second part of the study focuses on evaporating sprays in preheated crossflow. Experiments are conducted using ethanol, decane, Jet-A1 fuel, and a two-component surrogate for Jet-A1 fuel. The crossflow air is heated up to 418 K and the effect of evaporation is studied on spray trajectory and droplet sizes. Measured droplet sizes and velocities at two successive locations are used to estimate droplet evaporation lifetimes. Evaporation constant for the d2 law derived from the droplet lifetimes represents the first-ever data for the above-mentioned liquids under forced convective conditions. This data can be used to validate multi-component droplet evaporation models. The last part of the study focuses on Large Eddy Simulations (LES) of the spray in crossflow. The near-nozzle spray structure is investigated experimentally to obtain droplet size and velocity distributions that are used as inputs to the computational model. For the spray in crossflow under ambient conditions, trajectory and droplet sizes at different locations are compared with experimental results. While the predicted trajectory is found to be in good agreement with data, the predicted droplet sizes are larger than the measured values. This is attributed to the implicit assumption in the secondary breakup model that the droplets are spherical, whereas the experimental data in the near-nozzle region clearly shows presence of mostly ligaments and non-spherical droplets, especially for the low GLR cases. A modified breakup model is found to lead to improved agreement in droplet sizes between predictions and measurements. Overall, the experiments and computations have provided significant insight into spray in crossflow phenomenon, and have yielded useful results in terms of validated spray trajectory correlations, droplet evaporation lifetimes under forced convective conditions, and a methodology for simulation of airblast sprays.

[ES] El proyecto ESTiMatE nace con el objetivo de mejorar la precisión de las predicciones de hollín para la reducción de emisiones y una mayor sostenibilidad ambiental en la aviación. Para ello es crucial comprender a fondo fenómenos que influyen en la formación de hollín, incluyendo atomización del combustible, mezcla, combustión y formación de emisiones. La presente tesis, como parte del proyecto, se centra en el primer paso para caracterizar las spray flames, el proceso de atomización del líquido. Existen modelos empíricos para ello, pero el objetivo de este trabajo es desarrollar un nuevo modelo fenomenológico a través de simulaciones de alta fidelidad. Se propone acoplar este modelo a los códigos PRECISE-UNS y Alya para inyectar gotas en simulaciones Lagrangianas, reproduciendo de forma efectiva las características clave de atomización primaria en la formación del spray. Realizar estudios sobre la configuración anular de atomizadores prefilming airblast es un gran desafío, por lo que los esfuerzos se han enfocado en la configuración plana como alternativa que proporciona información valiosa. El KIT ha hecho contribuciones notables en este sentido al desarrollar un banco de pruebas de configuración plana, generando una base de datos extensa con resultados que abarcan diversos fluidos de trabajo y condiciones de operación para validar los cálculos. Esta tesis investiga la atomización primaria en estos dispositivos con un enfoque computacional a través de simulaciones eDNS con el código PARIS Simulator. Se utilizan simulaciones VOF-DNS del borde del atomizador para obtener información, y simulaciones LES monofásicas precursoras que permiten tener en cuenta la turbulencia del gas en la entrada. No obstante, se han propuesto dos metodologías derivadas a partir de eDNS, extendiéndola con simulaciones LES bifásicas adicionales. La primera de ellas impone un espesor y velocidad constantes para la película líquida en la entrada, pero sus valores medios se obtienen procesando las nuevas simulaciones LES bifásicas. Esta metodología ha sido validada para una condición de operación de referencia, representativa del reencendido en altitud. La segunda, introduce un espesor y velocidad variables de la película líquida, constituyendo una condición de contorno más realista. Se han realizado dos estudios diferentes. Por un lado, utilizando la primera metodología, se realizó un estudio paramétrico para investigar el impacto de la velocidad media del gas y las propiedades del fluido en la formación de estructuras líquidas. Al variar estos parámetros se observan diferencias en los mecanismos de ruptura basadas en M como en la literatura. La base para un modelo fenomenológico se ha establecido utilizando estos resultados y puede extenderse con más condiciones de operación siguiendo la metodología descrita. Por otra parte, se ha realizado una comparación entre ambas metodologías para considerar la influencia de la historia de la película de combustible en la atomización primaria. En este estudio, al mejorar las condiciones de contorno a la entrada, se ha reproducido con éxito la fenomenología presente en los experimentos, al contrario que con la eDNS estándar. Se ha propuesto una nueva técnica de postprocesado para caracterizar las estructuras líquidas. Los métodos habituales detectan gotas en un dominio 3D, pero solamente detectan ligamentos en una proyección 2D utilizando optimización de funciones algebraicas. Sin embargo, este nuevo método es capaz de encontrar gotas y ligamentos en 3D mediante OpenCV. También ha sido validado con resultados de la literatura. Con todo, la tesis ha sentado las bases para el desarrollo de modelos específicos de atomización airblast mediante simulaciones de alta fidelidad, contribuyendo a una mejor predicción de los fenómenos de inyección, atomización, evaporación, mezcla y combustión de aeromotores que permita realizar un diseño más eficiente de éstos hacia una movilidad aérea sostenible. / [CA] El projecte ESTiMatE naix amb l'objectiu de millorar la precisió de les prediccions de sutge per a la reducció d'emissions i una major sostenibilitat ambiental en l'aviació. Per això, és crucial comprendre a fons fenòmens que influeixen en la formació de sutge, incloent atomització del combustible, mescla, combustió i formació d'emissions. La present tesi, com a part del projecte, se centra en el primer pas per caracteritzar les spray flames, el procés d'atomització del líquid. Existeixen alguns models empírics per això, però l'objectiu d'aquest treball és desenvolupar un nou model fenomenològic a través de simulacions d'alta fildelitat. Es proposa acoblar aquest model als codis PRECISE-UNS i Alya per injectar gotes en simulacions Lagrangianes, reproduint de manera efectiva les característiques clau d'atomització primària en la formació de l'spray. Realitzar estudis sobre la configuració anul·lar d'atomitzadors prefilming airblast és un gran desafiament, per la qual cosa els investigadors han enfocat els seus esforços en la configuració plana com alternativa que proporciona informació valuosa. El KIT ha fet contribucions notables en aquest sentit en desenvolupar un banc de proves de configuració plana, generant una base de dades extensa amb resultats que abasten diversos fluids de treball i condicions d'operació per a validar els càlculs. Esta tesi investiga l'atomització primària en aquests dispositius amb un enfocament computacional a través de simulacions eDNS emprant el codi PARIS Simulator. S'utilitzen simulacions VOF-DNS de la vora de l'atomitzador per a obtindre informació, i simulacions LES monofàsiques precursores que permeten tindre en compte la turbulència del gas a l'entrada. No obstant això, s'han proposat dues noves metodologies derivades a partir de eDNS, estenent-la amb simulacions LES bifàsiques addicionals. La primera d'elles imposa una grossària i velocitat constants per a la pel·lícula líquida en l'entrada, però els seus valors mitjans s'obtenen processant les noves simulacions LES bifàsiques. Aquesta metodologia ha sigut validada per a una condició d'operació de referència, representativa de la reencesa en altitud. La segona, introduïx una grossària i velocitat variables de la pel·lícula líquida, constituint una condició de contorn més realista. S'han realitzat dos estudis diferents. D'una banda, utilitzant la primera metodologia, es va realitzar un estudi paramètric per a investigar l'impacte de la velocitat mitjana del gas i les propietats del fluid en la formació d'estructures líquides. En variar estos paràmetres s'observen diferènciesen els mecanismes de ruptura basades en M com a la literatura. La base per a un model fenomenològic s'ha establit utilitzant aquests resultats i pot estendre's amb més condicions d'operació seguint la metodologia descrita. D'altra banda, s'ha realitzat en paral·lel una comparació entre totes dues metodologies per a considerar la influència de la història de la pel·lícula de combustible en l'atomització primària. En aquest estudi, en millorar les condicionsde contorn a l'entrada, s'ha reproduït amb èxit la fenomenologia present en els experiments, al contrari que amb la eDNS estàndard. S'ha proposat una nova tècnica de postprocessament per a caracteritzar les estructures líquides. Els mètodes habituals detecten gotes en un domini 3D, però solament detecten lligaments en una projecció 2D utilitzant optimització de funcions algebraiques. No obstant això, aquest nou mètode és capaç de trobar gotes i lligaments en 3D mitjançant la llibrería OpenCV. També ha sigut validat amb resultats de la literatura. Amb tot, la tesi ha establit les bases per al desenvolupament de models específics d'atomització airblast mitjançant simulacions d'alta fidelitat, contribuïnt a una millor predicció dels fenòmens d'injecció, atomització, evaporació, mescla i combustió dels aeromotors que permeta realitzar un disseny més eficient dels mateixos cap a una mobilitat aèria sostenible. / [EN] The project ESTiMatE emerges aiming to enhance the precision of soot predictions leading to reduced emissions and improved environmental sustainability in aviation. To achieve this, it is crucial to thoroughly understand various phenomena that influence soot formation, including fuel atomization, mixing, combustion, and subsequent emissions formation. The present thesis, as part of the project, focuses in the first step to characterize spray flames, the liquid atomization process. There exist some empirical models to characterize atomization, but the objective of this specific work package is to develop a new phenomenological model through high-fidelity simulations instead of empirical results. This model is proposed to be coupled to the PRECISE-UNS and Alya codes to inject droplets in Lagrangian simulations, effectively reproducing the key features of the primary atomization process on the spray formation. Conducting fundamental studies on the annular configuration of prefilming airblast atomizers is challenging, so researchers have directed their attention towards planar configurations as an alternative that can provide valuable insights. The KIT has made notable contributions in this regard by developing a dedicated planar test rig, generating a substantial database of results encompassing various working fluids and operating conditions for validation. This thesis investigates primary atomization in these devices with a computational approach using eDNS within the PARIS Simulator code. VOF-DNS simulations of the atomizing Edge are performed to obtain useful data, and precursor one-phase LES simulations in order to account for gas inflow turbulence at the DNS inlet. Nevertheless, two methodologies have been derived from eDNS, extending it with additional precursor two-phase LES simulations. The first one, imposes constant liquid film thickness and velocity at the DNS inlet, but their mean values are obtained processing the new two-phase LES simulations. It has been validated for a reference operating condition, representative of altitude relight. The second one, introduces variable liquid film thickness and velocity instead, constituting a more realistic boundary condition for the DNS. Two different studies have been conducted in this regard. On the one hand, using the former methodology, a parametric study was performed to investigate the impact of mean gas velocity and fluid properties on the formation of liquid structures. By varying these parameters differences on the breakup mechanisms are observed based on M as found in the literature. The basis for a phenomenological model has been established using these results, and it can be extended with more operating conditions following the described methodology. On the other hand, a comparison between both methodologies has been carried out in parallel, in order to account for the influence of film history on the primary atomization process. In this study, by improving the inlet boundary conditions, the phenomenology observed in the experiments has been succesfully reproduced, unlike with the standard eDNS. A novel post-processing technique for characterizing liquid structures has been proposed. Usual post-processing methods detect droplets in a 3D domain, but only detect ligaments in a top view 2D projection of it using algebraic functions optimization. However, this new method is able to find both droplets and ligaments as well as its 3D properties using the Open Computer Vision Library (OpenCV) instead. It has been also validated with the results in the literature. Overall, the thesis has laid the foundations for the development of specific airblast atomization models through the use of high-fidelity simulations,contributing to a better prediction of the injection, atomization, evaporation, mixing and combustion phenomena in aero engines, enabling a more efficient design towards sustainable air mobility. / Moreno Montagud, C. (2024). Computational Modelling of the Primary Atomization in Aero Engine Airblast Atomizers through a DNS Approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211359