Experimental measurements of the lift-off velocity and lift-off height, and numerical simulations were conducted on the liftoff and stabilization phenomena of laminar jet diffusion flames of inert-diluted C3H8 and CH4 fuels. Both non-reacting and reacting jets were investigated, including effects of multi-component diffusivities and heat release (buoyancy and gas expansion). The role of Schmidt number for non-reacting jets was investigated, with no conclusive Schmidt number criterion for liftoff previously known in similarity solutions. The cold-flow simulation for He-diluted CH4 fuel does not predict flame liftoff; however, adding heat release reaction leads to the prediction of liftoff, which is consistent with experimental observations. Including reaction was also found to improve liftoff height prediction for C3H8 flames, with the flame base location differing from that in the similarity solution - the intersection of the stoichiometric and iso-velocity contours is not necessary for flame stabilization (and thus lift-off). Possible mechanisms other than that proposed for similarity solution may better help to explain the stabilization and liftoff phenomena. The stretch rate at a wide range of isotherms near the base of the lifted tribrachial flame were also quantitatively plotted and analyzed.

[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 / TESIS

This thesis aims at improving our knowledge on swirl combustors. The work presented here is based on Large Eddy Simulations (LES) coupled to an advanced combustion model: the Conditional Moment Closure (CMC). Numerical predictions have been systematically compared and validated with detailed experimental datasets. In order to analyze further the physics underlying the large numerical datasets, Proper Orthogonal Decomposition (POD) has also been used throughout the thesis. Various aspects of the aerodynamics of swirling flames are investigated, such as precession or vortex formation caused by flow oscillations, as well as various combustion aspects such as localized extinctions and flame lift-off. All the above affect flame stabilization in different ways and are explored through focused simulations. The first study investigates isothermal air flows behind an enclosed bluff body, with the incoming flow being pulsated. These flows have strong similarities to flows found in combustors experiencing self-excited oscillations and can therefore be considered as canonical problems. At high enough forcing frequencies, double ring vortices are shed from the air pipe exit. Various harmonics of the pulsating frequency are observed in the spectra and their relation with the vortex shedding is investigated through POD. The second study explores the structure of the Delft III piloted turbulent non-premixed flame. The simple configuration allows to analyze further key combustion aspects of combustors, with further insights provided on the dynamics of localized extinctions and re-ignition, as well as the pollutants emissions. The third study presents a comprehensive analysis of the aerodynamics of swirl flows based on the TECFLAM confined non-premixed S09c configuration. A periodic component inside the air inlet pipe and around the central bluff body is observed, for both the inert and reactive flows. POD shows that these flow oscillations are due to single and double helical vortices, similar to Precessing Vortex Cores (PVC), that develop inside the air inlet pipe and whose axes rotate around the burner. The combustion process is found to affect the swirl flow aerodynamics. Finally, the fourth study investigates the TECFLAM configuration again, but here attention is given to the flame lift-off evident in experiments and reproduced by the LES-CMC formulation. The stabilization process and the pollutants emission of the flame are investigated in detail.