Diplomová práce se zabývá experimentální studií vlastností spreje z několika malých tlakových vířivých trysek používaných ve spalovacích komorách proudových motorů. Po desetiletí byla snaha zlepšit jejich rozprašovací charakteristiky a stále jsou možnosti, které nebyly téměř prozkoumány. Výzkum byl proveden za použití různých geometrií jednotlivých dílů trysky za účelem zjištění jejich vlivu na sprej. Byl použit různý počet vstupních portů (2, 3 a 4), různé vířivé komůrky (kulová, kuželová, konvexní, nízká kuželová) a rozdílné návrhy obtokového otvoru (osové, mimosové). Důraz byl kladen na posouzení stability spreje, kde pulzující sprej negativně ovlivňuje provozní charakteristiky spalovací komory. Vlastnosti spreje byly proměřeny fázovým dopplerovským analyzátorem, cirkulární homogenita byla hodnocena mechanickým paternátorem a rozpad kapaliny byl vizualizován pomocí jednoduchého laserového stínografu.

Für technische Zerstäubungsprozesse wird häufig eine Flüssigkeitsmenge durch die kinetische Energie eines Hochgeschwindigkeitsgases in einem Luftstromzerstäuber in Einzeltropfen dispergiert. In einem Prefilming-Luftstromzerstäuber befindet sich die zu zerstäubende Flüssigkeit zuerst auf einer Oberfläche (Prefilming-Oberfläche) um einen dünnen Flüssigkeitsfilm zu bilden, bevor sie einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom ausgesetzt wird. Das erste Ziel dieser Untersuchungen ist, den Zerstäubungsmechanismus der Prefilming-Zerstäuber zu verstehen und den Effekt variierender Parameter des Sprühsystems beim Zerfallsmechanismus zu ermitteln. Zerfallsregime in der Nähe des Zerstäuberauslasses wurden mittels Schattenverfahren und begleitend durch Partikelverfolgung bestimmt. Im nächsten Schritt wird die Sprühleistung des Prefilming-Luftstromzerstäubers in einer Reihe von Testbedingungen charakterisiert. Die Sprühcharakterisierung wurde mittels Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) durchgeführt um den Einfluss verschiedener Parameter auf die lokale Tropfengröße und Geschwindigkeit im Spray zu untersuchen. Zuletzt werden Zukunftsansätze zu Entwicklung und Design eines Prefilming-Luftstromzerstäubers aufgezeigt. Um einen einzigartigen funktionellen Zusammenhang der experimentellen Daten zu entwickeln, wurde eine Dimensionsanalyse durchgeführt. Darauffolgend zeigt der Einfluss von zwei dimensionslosen Kennzahlen unterschiedliche Sensitivitäten in Abhängigkeit vom Druckbereich und es wurde durch Anpassen der Daten eine geeigneten Korrelationsfunktion hergeteiltet. / A bulk of liquid dispersed into single droplets using the kinetic energy of a high-velocity gas in an air-blast atomizer is frequently employed in technical atomization processes. In a prefilming air-blast atomizer, the atomizing liquid is primary situated on a surface (prefilming surface) to form a thin liquid film before exposing to a high-velocity air flow. The first purpose of this study is to understand atomization mechanisms close to prefilming atomizers and to determine the effect of spray system parameter variations on breakup mechanisms. Breakup regimes in the vicinity of the atomizer exit were determined using the shadowgraphy technique associated with particle tracking. In a next step, the spray performance of prefilming air-blast atomizers are characterized in a wide range of test conditions. For the spray characterization, a phase Doppler anemometry (PDA) was utilized to investigate the influence of variable parameters on the local droplet size and velocity in a spray. Finally, prediction approaches are determined for the development and design of a prefilming air-blast atomizer. In order to develop a unique functional relationship from experimental data, a dimensional analysis has been performed. Subsequently, the influence of two main nondimensional numbers shows different sensitivities depending on the pressure range and was quantified by fitting the data to appropriate correlation functions.

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.

La vaporisation explosive, ou flashing, par dépressurisation rapide du C6F14 au travers d'une vanne à boisseau sphérique est analysée expérimentalement sur une grande plage de surchauffe. Les visualisations rapides montrent un jet s’ouvrant très largement en aval, preuve de l'existence d'un fort gradient de pression. Des mesures locales par sonde optique et par vélocimétrie phase Doppler ont permis de caractériser tailles, vitesses, concentration et flux numérique des gouttes en fonction de la surchauffe. La faible influence du degré de surchauffe sur la remontée en pression et sur les tailles et flux de gouttes suggère que le champ de pression s’adapte, et que par conséquent le liquide est soumis à une surchauffe locale bien plus faible que la surchauffe globale imposée. Différents scenarii sont discutés pour expliquer les observations, dont le fait que les tailles de gouttes sont peu sensibles à la surchauffe. Celui basé sur l’existence d’un front d’ébullition est le plus probable. / Depressurization (flashing) experiments through a ball valve were conducted with C6F14 for a large range of superheat. High-speed imaging shows a rapid and wide expansion of the jet, which evidences strong pressure gradients. Local measurements with phase detection optical probes and phase Doppler velocimetry were used to characterize size, speed, concentration and volumetric flux of drops as a function of superheat. The level of superheat has little influence on the vaporized fraction and on drop size and flux: this suggests that due to strong pressure gradients the liquid sees a much weaker level of superheat than the global superheat imposed on the system. Different scenarii are discussed to explain observations, in particular the fact that drop size remains approximately constant independent of the superheat. A scenario based on the existence of a boiling front seems to be the most consistent.

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.