Human health is significantly influenced by inhaled aerosols. Insight to the aerosol transport and deposition mechanisms is a prerequisite for both, toxicological protection against harmful particles and efficient application of inhaled therapeutic aerosols. The purpose of this doctoral thesis was to gain new knowledge of this topic on the basis of in vitro measurements. Phase-Doppler Anemometry was chosen for aerosol transport measurement, for it allows simultaneous measurement of particle size and velocity. Results were processed by means of statistical methods and frequency analysis. Deposition of spherical aerosol particles was measured by Positron Emission Tomography, while deposition of fibrous aerosol was measured by Phase-Contrast Microscopy combined with automated image analysis. All experiments were performed on physical models created on the basis of the real lung geometry. New knowledge of flow characteristics, transition from laminar to turbulent flow, effect of breathing pattern or particle size on aerosol transport and deposition in human lungs are outcomes of this work. Significant effect of the oral cavity was ascertained due to comparison of aerosol deposition in realistic and semi-realistic model with cylindrical smooth walls. Acquired data not merely extended our knowledge of aerosol behavior in lungs but it can also be used for validation of numerical simulations.

En la exploración de nuevos métodos para el mejoramiento de la eficiencia y rendimiento del motor diésel, es claro que un gran esfuerzo debe estar enfocado en el proceso de inyección de combustible. La eficiencia de la combustión y las emisiones, se ven muy afectadas por el proceso de atomización, y se ha demostrado que incrementos en presiones de inyección conllevan un gran potencial para mejorar el ahorro de combustible, producir mejores mezclas de aire y combustible, y por tanto menor generación de emisiones contaminantes. Últimamente, las presiones de inyección han aumentado de alrededor de 50 MPa en los años 70 hasta 250 MPa en los días actuales. Presiones de inyección muy altas (250-300 MPa) o incluso ultra altas (> 300 MPa) vienen siendo materia de investigación con el fin de ser implementadas de manera comercial en un futuro próximo. La estructura y desarrollo del spray diésel pueden ser caracterizados desde un punto de vista microscópico por medio de la medición del tamaño de gotas del spray y sus velocidades. En condiciones no-evaporativas, técnicas como el PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) vienen siendo utilizadas para la obtención de perfiles de diámetros y velocidades de gota con una alta resolución temporal. Desde el punto de vista macroscópico, existen parámetros específicos que permiten caracterizar a un chorro diésel, estos son: la penetración de vapor y líquida junto con el ángulo de apertura del chorro. La penetración líquida es un indicador claro de la capacidad de evaporación del combustible utilizado, mientras que la penetración de vapor, por su parte, es indicativo del proceso de mezcla y la probabilidad de colisión con las paredes de la cámara de combustión; factores claves a la hora de la generación de emisiones contaminantes. En esta tesis se estudia la influencia de presiones bajas, medias y muy altas presiones inyección, sobre un amplio espectro de condiciones y diagnósticos experimentales, y desde el punto de vista macroscópico y microscópico. Se realizaron experimentos para tres diferentes inyectores, 2 solenoides y un piezo eléctrico, este último con la capacidad de alcanzar presiones de inyección cercanas a 270 MPa. Las medidas incluyen una caracterización hidráulica, compuesta por tasa de inyección; una visualización de alta velocidad del chorro líquido isotermo; una visualización de alta velocidad del chorro inerte evaporativo, con captura simultánea de las fases líquida y vapor; y finalmente, una caracterización microscópica por medio de la obtención de distribución de tamaño de gotas y sus velocidades. Con respecto a los ensayos microscópicos, se desarrolló una metodología para el aislamiento y alineación de sprays con un error de medición muy bajo de 0,22°. Se llevaron a cabo mediciones de velocidad de gotas, cuyos resultados mostraron buen ajuste con perfiles teóricos de velocidad. De igual manera, una correlación para el tamaño de gota SMD se obtuvo mostrando un alto nivel de ajuste y siendo representativa para todo el rango de presiones de inyección estudiados. En el caso de la caracterización macroscópica del chorro isotermo, se han detectado variaciones macroscópicas en el desarrollo del chorro con propiedades de gas, inclusive en condiciones de motor comunes. Para estimar estos efectos y otros que las presiones de inyección muy altas tendrían sobre la estructura del chorro, se incentivó la aparición de ondas de choque controlando la velocidad del sonido del ambiente. Se usaron tres gases ambientales (SF6 N2 y CO2) con diferentes velocidades de sonido, promoviendo de esta manera chorros supersónicos en determinados casos. Al comparar ensayos con mismas densidades y diferentes gases ambientales, se encontró que todas las tendencias cercanas al estado transónico (0.8 <M <1.2) tenían una mayor penetración y menor ángulo de chorro. / En l'exploració de nous mètodes per al millorament de l'eficiència i rendiment del motor dièsel, és clar que un gran esforç s'ha enfocar en el procés d'injecció de combustible. L'eficiència de la combustió i les emissions, es veuen molt afectades pel procés d'atomització, i s'ha demostrat que increments en pressions d'injecció comporten un gran potencial per a millorar l'estalvi de combustible, produir millors mescles d'aire i combustible, i per tant menor generació d'emissions contaminants. Últimament, les pressions d'injecció han augmentat d'al voltant de 50 MPa en els anys 70 fins a 250 MPa en els dies actuals. Pressions d'injecció molt altes (250-300 MPa) o inclús ultra altes (> 300 MPa) vénen sent matèria d'investigació a fi de ser implementades de manera comercial en un futur pròxim. L'estructura i desenrotllament de l'esprai dièsel poden ser caracteritzats des d'un punt de vista microscòpic per mitjà del mesurament de la grandària de gotes de l'esprai i les seues velocitats. En condicions no-evaporatives, tècniques com el PDPA (Phase doppler particle analyzer) vénen sent utilitzades per a l'obtenció de perfils de diàmetres i velocitats de gota amb una alta resolució temporal. Des del punt de vista macroscòpic, hi ha paràmetres específics que permeten caracteritzar a un doll dièsel, estos són: la penetració de vapor i la penetració líquida junt amb l'angle d'obertura del doll. La penetració líquida és un indicador clar de la capacitat d'evaporació del combustible utilitzat, mentres que la penetració de vapor, per la seua banda, és indicatiu del procés de mescla i la probabilitat de col·lisió amb les parets de la cambra de combustió; factors claus a l'hora de la generació d'emissions contaminants. En esta tesi s'estudia la influència de pressions d' injecció baixes, mitges i molt altes, sobre un ampli espectre de condicions i diagnòstics experimentals, i des del punt de vista macroscòpic i microscòpic. Es van realitzar experiments per a tres injectors diferents, 2 solenoides i un piezo elèctric, este últim amb la capacitat d'aconseguir pressions d'injecció pròximes a 270 MPa. Les medides inclouen una caracterització hidràulica, composta per taxa d'injecció; una visualització d'alta velocitat del doll líquid isoterm; una visualització d'alta velocitat del doll inert evaporativo, amb captura simultània de les fases líquida i vapor; i finalment, una caracterització microscòpica per mitjà de l'obtenció de distribució de grandària de gotes i les seues velocitats. Respecte als assajos microscòpics, es va desenrotllar una metodologia per a l'aïllament i alineació d'esprais amb un error de mesurament molt davall de 0,22°. Es van dur a terme mesuraments de velocitat de gotes, els resultats van mostrar bon ajust amb perfils teòrics de velocitat. De la mateixa manera, una correlació per a la grandària de gota SMD es va obtindre mostrant un alt nivell d'ajust i sent representativa per a tot el rang de pressions d'injecció estudiats. En el cas de la caracterització macroscòpica del doll isoterm, s'han detectat variacions macroscòpiques en el desenrotllament del doll amb propietats de gas, inclusivament en condicions de motor comú. Per a estimar estos efectes i altres que altes pressions d'injecció tindrien sobre l'estructura del doll, es va incentivar l'aparició d'ones de xoc controlant la velocitat del so de l'ambient. Es van usar tres gasos ambientals (SF6, N2 i CO2) amb diferents velocitats de so, promovent d'esta manera dolls supersònics en determinats casos. Al comparar assajos amb mateixes densitats i diferents gasos ambientals, es va trobar que totes les tendències pròximes a l'estat transónic (0.8 < M < 1.2) tenien una major penetració i menor angle de doll. Respecte al doll evaporatiu, per a pressions d'injecció molt altes com 270MPa, els efectes dels paràmetres ambientals i d'injecció van romandre iguals respecte a totes les carac / In the exploration of new methods for improving the efficiency and performance of the diesel engine, it is clear that a great effort should be focused on the fuel injection process. The efficiency of combustion and emissions are greatly affected by the atomization process, and it is considered that injection pressures increments have a great potential to improve fuel economy, produce better air and fuel mixtures, and thus low generation of polluting emissions. Lately, injection pressures have increased from around 50 MPa in the 70's to 250 MPa in the current days, even very high injection pressures (250-300 MPa) or ultra high pressures (> 300 MPa) have been the subject of the scientific community in order to be implemented in future injection systems. The structure and development of the diesel spray can be characterized from a microscopic point of view by means of estimation of droplets size and velocities. At non-evaporative conditions, techniques such as PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) are being used to obtain diameters and velocity profiles a with high temporal resolution. From the macroscopic point of view, there are specific parameters that allow characterizing the diesel spray, these are: the liquid and vapor penetration along with the spray angle. The liquid penetration is a clear indicator of the evaporation capacity of the fuel used, whilst the vapor penetration, on the other hand, is an indicative of the mixing process and the probability of collision with the combustion chamber walls; key factors when generating polluting emissions. In this thesis the influence of low and very high injections pressures over the macro and micro characteristics of the diesel spray is studied, over a wide spectrum of conditions and experimental diagnoses. Experiments were carried out for three different injectors, two solenoids and one piezoelectric, the latter with the capacity to reach injection pressures close to 270MPa. The measurements include a hydraulic characterization; a high speed visualization of the liquid spray at isothermal conditions; a high-speed visualization of the evaporative spray, with simultaneous capture of the liquid and vapor phases; and finally, a microscopic characterization. Regarding the microscopic tests, a methodology was developed for the spray isolation and alignment with a very low measurement error of 0.22° Droplets velocity measurements were carried out, the results showed good adjustment with theoretical velocity profiles. Similarly, a correlation for SMD droplet size was obtained showing a high level of adjustment and being representative for the entire range of injection pressures studied. In the case of the macroscopic characterization of the isothermal spray, variations have been detected in the development of the jet with gas properties, even at common engine injection conditions. To estimate these effects and others that very high injection pressures would have on the spray structure, the apparition of shock waves was enhanced by controlling the speed of sound of the environment using three ambient gases with different speed of sound (SF6, N2 and CO2). When comparing tests with same densities and different ambient gases, it was found that all the tendencies near the transonic state (0.8 <M <1.2) had a higher penetration and lower spray angle. With respect to the evaporative jet, for very high injection pressures like 270MPa, the effects of the environmental and injection parameters remained the same with respect to all the macroscopic characteristics. / Giraldo Valderrama, JS. (2018). Macroscopic and microscopic characterization of non-reacting diesel sprays at low and very high injection pressures [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113643

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A presente tese e voltada à investigação da dinâmica das partículas em um riser de leito fluidizado circulante (CFB). Os leitos fluidizados sao comumente encontrados em aplicações de diversas areas industriais, como na secagem e revestimento de partículas, na polimerizaçao, na combustao e gaseificacao de carvão ou biomassa, no craqueamento catalítico de gasóleo. Dada a importancia da compreensão fenomenologica dos mecanismos que ocorrem nestes equipamentos, este trabalho utiliza de experimentacães física material e numerica para investigar, descrever e prever o escoamento gas-solido ascendente em escala piloto. Para isso, a Unidade Piloto de Riser e Ciclones foi projetada e construída, bem como seu controle e sistema de medicão optica, a Anemometria por Efeito Doppler (PDA). O escoamento tambem foi avaliado por Fluidodinamica Computacional, como um segundo pilar sobre o qual a presente tese esta suportada, atraves da solucao de um modelo matematico euleriano-lagrangeano transiente de partícula pontual, que considera colisães entre partículas e delas com paredes rugosas do riser, implementado no codigo UNSCYFL3D. Os resultados de ambas simulacoes física material e numerica dos estudos de caso propostos, evidenciaram a formaçcaão de estruturas de macro e mesoescala, derivadas de efeitos geometricos e fluido dinâmicos, respectivamente. Ocorre segregacao do escoamento da fase sólida na base do riser e recirculacao no topo, devido a saída em T. A PDA evidenciou: a formacao da estrutura core-annulus desde a alimentacao das partículas nos maiores carregamentos, a tendâencia de segregaçcãao radial e axial de diametros de partículas e a deposiçao nas regioes próximas à parede, onde as partículas tem maior flutuacao de velocidade. As soluçoes numericas indicaram pouca influencia das forcas de Saffman e Magnus, porem grande influencia da rugosidade da parede e do efeito da turboforese. O modelo matematico foi comparado frente as mediçoes físicas, mostrando bom grau de validacao para concentraçao de partículas no centro do riser e para velocidade axial media das partículas. / This thesis is focused on the particle phase dynamics in a circulating fluidized bed riser (CFB). Fluidized beds are commonly encountered in many industrial applications such as drying and coating of particles, polimerizations, combustion and gasification of coal and biomass, gasoil fluid catalytic cracking. Given the importance of the physical understanding about CFBs, in this work experiments and simulations are carried out to explore, describe and predict the upward gas-solid flow in pilot scale. Therefore, the Pilot Unit of Riser and Cyclones was designed and built, as well as its control and optical measuring systems, the last one by using Phase Doppler Anemometry (PDA). Besides that, the flow was solved by Computational Fluid Dynamics, as the second pillar on which this thesis is based, through the solution of an Eulerian-Lagrangian unsteady point-particle model, with inter-particles collisions and impact on rough walls, implemented on the in-house code UNSCYFL3D. The results from both experiments and simulations have shown the macro- and meso-scale structures formation, caused by geometrical and fluid dynamics effects, respectively. Particle phase flow segregation occurs near the particle inlet and also recirculation at the top of the riser, due to the T shape outlet. The PDA results show the core-annulus structure formation from the bottom of the riser in the higher mass loadings, the tendency of radial and axial segregation of particle diameters and the particle deposition near the riser wall, where the discrete phase has higher velocity fluctuations. On the other hand, the simulation results show little influence of Saffman and Magnus forces over the particles flow, however great impact of the roughness wall model and of the turbophoresis effect. About the model validation, good agreement is found mainly to particle concentration at the riser centre and to the particle phase axial velocity. / Tese (Doutorado)

Diplomová práce se zabývá měřením charakteristik sprejů dvou tlakových vířivých trysek pro spalovací komoru malého turbínového motoru na zkušebním stavu za studena pomocí metod Particle Image Velocimetry (PIV) a fázové Dopplerovské anemometrie (PDA). Cílem měření bylo stanovit a porovnat charakteristiky sprejů obou trysek. Výsledky měření mají objasnit rozdílnost chování trysek za provozu a možný dopad na proces spalování. Úvodní teoretická část pojednává o základních fyzikálních principech atomizace kapalin, konstrukci a oblasti uplatnění tlakových vířivých trysek a o principech laserových diagnostických metod použitých při experimentálním měření. Nasledující část popisuje návrh a montáž zkušební trati a dalších zařízení navržených pro experimentální měření v této práci. Experimentální část se zabývá nastavením parametrů měřícího systému a zpracováním dat. Výsledky měření zahrnují vektorová rychlostní pole, axiální rychlostní profily a distribuce velikosti kapek pro různé provozní podmínky obou trysek.

<p dir="ltr">Interest in using detonation-based combustion cycles for use propulsion and power generation has gained considerable attention in the last 10 years or so. The rotating detonation engine (RDE), in particular, has garnered the most attention as a possible replacement for current generation combustion systems. RDEs are continuous flow devices that typically operate in a non-premixed fashion. Reactants are injected into an annular combustion chamber that is usually several millimeters wide. One or more detonation waves propagate azimuthally around the annulus, consuming the reactants. The products then expand out of the combustor where it can produce thrust or be passed into a turbine. The detonation wave front in RDEs travel at speeds between 1-3 km/s which poses additional complexity beyond traditional combustors. There are large gaps in the research community for RDEs that use one or more liquid based propellants. Questions regarding liquid breakup, atomization, breakup, recovery all remain unanswered both experimentally and numerically. This work seeks to understand these fundamental physical phenomena that drive these devices by applying advanced, high-speed laser and other optical diagnostics. </p><p dir="ltr"> A 120 mm nominal diameter rotating detonation combustor that operates on non-premixed hydrogen-air was modified to remove a hydrogen orifice and was replaced with a single liquid fuel injector. This simple, yet important, modification enables the study of a one-way coupling between a liquid fuel jet and a detonation wave at relevant spatio-temporal scales. Planar laser-induced fluorescence was performed at rates up to 1 MHz to quantify the quasi-steady jet dynamics and the recovery behavior of the single liquid jet. Long-duration PLIF imaging lasting 30-40 detonation periods at 300 kHz was also performed for statistical significance. A diesel liquid-in-crossflow injector was observed to breakup or be removed from the PLIF plane within only a few microseconds. After the detonation wave passes through the spray there is a significant dwell period can last between 20-40% of the detonation period before the new fuel is issued into the channel. The quasi-steady liquid jet trajectory was also compared to a jet-in-crossflow from literature and there is decent agreement in the jet near-field. </p><p dir="ltr"> The same hardware scheme with a different liquid fuel injector was tested in conjunction with an alternative imagine scheme. The first technique was able to capture details in the radial-axial plane but could not resolve any motion in the azimuthal direction. A volume-based illumination scheme was used for LIF to image a liquid fuel jet in the azimuthal-axial plane. For this experiment the location of the liquid fuel jet was moved into a different position and as a result experiences significantly different behavior than the jet in crossflow. The breakup and evaporation process takes place over a much longer period of time and there is no pause of liquid fuel injection. Similarly, LIF was performed at 300 kHz for 30 detonation cycles to enable sadistically quantification and phase averaging. Filtered OH* and CH* chemiluminescence imaging was also performed over the same field of view as the LIF imaging. Estimation of the velocity field was calculated using optical flow from the Jet-A LIF images. The velocity results agree well with the recovery analysis from the PLIF measurements.</p><p dir="ltr"> Using the same liquid fuel injection scheme, Jet-A droplet diameter and velocity was measured <i>in-situ</i> during a hot-fire experiment using phase Doppler interferometry (PDI). Although a point technique, PDI was used to measure thousands of droplets during a single test at multiple locations and with multiple conditions. As a means of comparison, cold flow experiments were performed with water in the exit plume. Droplet diameters were measured between 1-20 µs in both cases. PDI results were compared with the optical flow results and there is agreement in median velocities and some differences in the minimum and maximum velocity values. Possible sources of error in the diameter measurement are discussed as well.</p>