<p>Air, nitrogen, argon and carbon dioxide were used as the atomizing gas in an 'air-assist' spray nozzle to determine the effect of these gases on mean droplet size, number density, velocity and their distributions in kerosene fuel spays and spray flames using a two dimensional phase Doppler interferometer. Data have been obtained with these atomizing gases using a base, air assisted case as a reference, since this is the most commonly used atomizing fluid in almost all applications. Comparisons were made between the gases on a mass and momentum flux basis. Both burning and nonburning sprays were investigated. The results show significant differences in atomization characteristics from the atomizer with different gases and under conditions of constant mass and momentum flux of the gas. The results also show that the presence of oxygen in the air atomized sprays assists in the combustion process, since it produces smaller and faster moving droplets, especially at locations near to the nozzle exit. In nonburning sprays, droplets had similar size and velocity. Lighter gases such as nitrogen more effectively atomized the fuel in comparison to the denser gases. Argon and carbon dioxide produced larger, slower moving droplets than air and nitrogen assisted cases in both the burning and nonburning sprays. Flame photographs revealed the argon and carbon dioxide atomized flames to have greater luminosity than air or nitrogen atomized flames.</p> / Master of Science

Liquid spray is essential to industries requiring processes such as spray coating, spray drying, spray pyrolysis, or spray cooling. This thesis reports the design, fabrication, and characterization of a thin film deposition system which utilizes a linear multiplexed electrospray (LINES) atomizer. First, a thorough review of the advantages and limitations of prior multiplexed electrospray systems leads to discussion of the design rationale for this work. Next, the line of charge model was extended to prescribe the operating conditions for the experiments and to estimate the spray profile. The spray profile was then simulated using a Lagrangian model and solved using a desktop supercomputer based on Graphics Processing Units (GPUs). The simulation was extended to estimate the droplet number density flux during deposition. Pure ethanol was electrosprayed in the cone-jet mode from a 51-nozzle aluminum LINES atomizer with less than 3% relative standard deviation in the D10 average droplet diameter as characterized using Phase Doppler Interferometry (PDI). Finally a 25-nozzle LINES was integrated into a thin film deposition system with a heated, motion controlled stage, to deposit TiO2 thin films onto silicon wafers from an ethanol based nanoparticle suspension. The resulting deposition pattern was analyzed using SEM, optical profilometry, and macro photography and compared with the numerical simulation results. The LINES tool developed here is a step forward to enabling the power of electrospray for industrial manufacturing applications in clean energy, health care, and electronics

E consenso que o crescente consumo de combustíveis fósseis na geração de potencia tem provocado uma maior degradação do meio ambiente. Para mitigar os efeitos adversos desse consumo, novas fontes e usos sustentáveis de energia são necessários. O uso de etanol na atual geração de motores de combustão interna demanda informações detalhadas sobre os processos de nebulização, evaporação, mistura e combustão das gotas desse combustível. Adicionalmente, novas estratégias de injeção de combustível em MCIs com injeção direta estão em desenvolvimento, como a injeção estraticada. Essa estratégia consiste na injeção de combustível em elevadas frequências durante as etapas de admissão e combustão do ciclo motor. Neste trabalho, técnicas avançadas de diagnostico a laser são utilizadas para analisar a inuência da frequência de injeção de combustível no processo de combustão de sprays pulsados de etanol, em que as chamas resultantes são estabilizadas por um swirler. A técnica de interferometria por efeito Doppler (PDI) foi utilizada para medir o diâmetro e a componente axial da velocidade das gotas. O campo de velocidades do escoamento de ar foi avaliado pela técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV) em duas taxas de aquisição (7,4 Hz e 2.000 Hz) para avaliar tanto valores médios quanto rastrear estruturas coerentes no escoamento. O mesmo sistema PIV foi utilizado para identificar a posição de aglomerados de gotas pela técnica de espalhamento Mie ao longo de eventos individuais de injeção. Já a técnica de uorescência induzida por laser do radical hidroxila (LIF-OH) foi utilizada com taxa de aquisição de 4.700 Hz para rastrear a região com presença deste radical próximo ao queimador utilizado. Imagens da luminescência química espontânea foram obtidas para observar características globais das chamas. O queimador, posicionado em um ambiente aberto, e composto por um dispositivo swirler e um injetor automotivo. As frequências de injeção de 100 Hz, 250 Hz e 400 Hz foram escolhidas para as análises por produzirem chamas com características que variam desde uma chama estável e ancorada ao queimador até o comportamento similar a uma chama suspensa e instável. Etanol anidro líquido foi utilizado como combustível e fornecido ao injetor a pressão e vazão constantes para todos os casos. Os resultados indicaram que a variação na frequência de injeção produziu sprays com diferentes densidades. A menor frequência de injeção produziu um spray com maior densidade, em que as gotas formaram um aglomerado pouco sensível ao escoamento de ar na linha de centro do queimador. Esse aglomerado produz uma chama ancorada ao queimador com formato alongado e estreito. Já a maior frequência de injeção produziu um spray com menor densidade, permitindo que a dinâmica das gotas seja mais susceptível ao escoamento de ar. Essa maior inuência do escoamento de ar promoveu uma maior dispersão espacial das gotas e um processo de combustão com maior susceptibilidade a instabilidades locais do escoamento. Essas instabilidades locais foram associadas a passagem periódica de estruturas coerentes do escoamento de ar através da região de reação das chamas, produzindo uma chama com presença intermitente do radical OH e ausência de emissão de luminescência química espontânea próximo a saída do queimador. / The increase in consumption of petroleum-based fuels promotes environmental degradation and, to mitigate the adverse effects of this consumption, new sustainable sources and uses of energy are required. The use of ethanol as an option to conventional fuels on current generation of engines and gas turbines requires detailed information on atomization, evaporation, mixture and combustion processes of ethanol droplets. In addition, new strategies to fuel injection in ICEs are being developed, such as the stratied fuel injection. In this strategy, fuel is injected in higher injection frequencies along the air intake and combustion phases of the engine cycle. In this work, advanced techniques of laser diagnostic are applied to analyze the inuence of fuel injection frequency on the behavior of the combustion process of pulsed ethanol sprays, in which the resulting ames are stabilized by a swirler. The Phase Doppler Interferometry (PDI) technique is applied to measure both diameter and axial velocity of droplets produced by the injector under different conditions of injection frequency. The velocity eld of the airow is evaluated by the Particle Image Velocimetry (PIV) using two repetition rates (7,4 Hz and 2.000 Hz) to evaluated both mean values and to track coherent structures in the ow. The PIV equipment is also used to evaluate the position of droplet groups by Mie scattering during the individual injection events. A high repetition rate (4.700 Hz) Laser Induced Fluorescence of hydroxyl radical (LIF-OH) system is applied to track the region with presence of OH in a vertical plane near the exit of the burner. Images of spontaneous chemical luminescence are acquired to analyze general aspects of the ames. The burner consists on a swirler and an automotive injector and is positioned in an open space with quiescent air. The analyzed injection frequencies are 100 Hz, 250Hz and 400 Hz, presenting characteristics ranging from a stable anchored ame to a lifted-like unstable ame. Liquid anhydrous ethanol is delivered to the injector with constant pressure and ow rate for all cases. Results show different spray densities produced by the change in the injection frequency. The case with lower injection frequency produced higher spray densities, in which the formation of large groups of droplets prevents the inuence of the recirculating airow on droplet dynamics. This case presented an anchored, elongated, narrow and stable ame. The case with higher injection frequency produced lower spray densities, in which droplet dynamics are more susceptible to the velocities of the airow. This inuence of the airow promotes spatial dispersion of droplets, been more prone to instabilities on the local combustion process. These local instabilities are associated to the inuence of periodic coherent structures of the ow passing through the reaction zone, which leads to the intermittent presence of OH and the absence of spontaneous chemical luminescence near the injection plane of the burner.

E consenso que o crescente consumo de combustíveis fósseis na geração de potencia tem provocado uma maior degradação do meio ambiente. Para mitigar os efeitos adversos desse consumo, novas fontes e usos sustentáveis de energia são necessários. O uso de etanol na atual geração de motores de combustão interna demanda informações detalhadas sobre os processos de nebulização, evaporação, mistura e combustão das gotas desse combustível. Adicionalmente, novas estratégias de injeção de combustível em MCIs com injeção direta estão em desenvolvimento, como a injeção estraticada. Essa estratégia consiste na injeção de combustível em elevadas frequências durante as etapas de admissão e combustão do ciclo motor. Neste trabalho, técnicas avançadas de diagnostico a laser são utilizadas para analisar a inuência da frequência de injeção de combustível no processo de combustão de sprays pulsados de etanol, em que as chamas resultantes são estabilizadas por um swirler. A técnica de interferometria por efeito Doppler (PDI) foi utilizada para medir o diâmetro e a componente axial da velocidade das gotas. O campo de velocidades do escoamento de ar foi avaliado pela técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV) em duas taxas de aquisição (7,4 Hz e 2.000 Hz) para avaliar tanto valores médios quanto rastrear estruturas coerentes no escoamento. O mesmo sistema PIV foi utilizado para identificar a posição de aglomerados de gotas pela técnica de espalhamento Mie ao longo de eventos individuais de injeção. Já a técnica de uorescência induzida por laser do radical hidroxila (LIF-OH) foi utilizada com taxa de aquisição de 4.700 Hz para rastrear a região com presença deste radical próximo ao queimador utilizado. Imagens da luminescência química espontânea foram obtidas para observar características globais das chamas. O queimador, posicionado em um ambiente aberto, e composto por um dispositivo swirler e um injetor automotivo. As frequências de injeção de 100 Hz, 250 Hz e 400 Hz foram escolhidas para as análises por produzirem chamas com características que variam desde uma chama estável e ancorada ao queimador até o comportamento similar a uma chama suspensa e instável. Etanol anidro líquido foi utilizado como combustível e fornecido ao injetor a pressão e vazão constantes para todos os casos. Os resultados indicaram que a variação na frequência de injeção produziu sprays com diferentes densidades. A menor frequência de injeção produziu um spray com maior densidade, em que as gotas formaram um aglomerado pouco sensível ao escoamento de ar na linha de centro do queimador. Esse aglomerado produz uma chama ancorada ao queimador com formato alongado e estreito. Já a maior frequência de injeção produziu um spray com menor densidade, permitindo que a dinâmica das gotas seja mais susceptível ao escoamento de ar. Essa maior inuência do escoamento de ar promoveu uma maior dispersão espacial das gotas e um processo de combustão com maior susceptibilidade a instabilidades locais do escoamento. Essas instabilidades locais foram associadas a passagem periódica de estruturas coerentes do escoamento de ar através da região de reação das chamas, produzindo uma chama com presença intermitente do radical OH e ausência de emissão de luminescência química espontânea próximo a saída do queimador. / The increase in consumption of petroleum-based fuels promotes environmental degradation and, to mitigate the adverse effects of this consumption, new sustainable sources and uses of energy are required. The use of ethanol as an option to conventional fuels on current generation of engines and gas turbines requires detailed information on atomization, evaporation, mixture and combustion processes of ethanol droplets. In addition, new strategies to fuel injection in ICEs are being developed, such as the stratied fuel injection. In this strategy, fuel is injected in higher injection frequencies along the air intake and combustion phases of the engine cycle. In this work, advanced techniques of laser diagnostic are applied to analyze the inuence of fuel injection frequency on the behavior of the combustion process of pulsed ethanol sprays, in which the resulting ames are stabilized by a swirler. The Phase Doppler Interferometry (PDI) technique is applied to measure both diameter and axial velocity of droplets produced by the injector under different conditions of injection frequency. The velocity eld of the airow is evaluated by the Particle Image Velocimetry (PIV) using two repetition rates (7,4 Hz and 2.000 Hz) to evaluated both mean values and to track coherent structures in the ow. The PIV equipment is also used to evaluate the position of droplet groups by Mie scattering during the individual injection events. A high repetition rate (4.700 Hz) Laser Induced Fluorescence of hydroxyl radical (LIF-OH) system is applied to track the region with presence of OH in a vertical plane near the exit of the burner. Images of spontaneous chemical luminescence are acquired to analyze general aspects of the ames. The burner consists on a swirler and an automotive injector and is positioned in an open space with quiescent air. The analyzed injection frequencies are 100 Hz, 250Hz and 400 Hz, presenting characteristics ranging from a stable anchored ame to a lifted-like unstable ame. Liquid anhydrous ethanol is delivered to the injector with constant pressure and ow rate for all cases. Results show different spray densities produced by the change in the injection frequency. The case with lower injection frequency produced higher spray densities, in which the formation of large groups of droplets prevents the inuence of the recirculating airow on droplet dynamics. This case presented an anchored, elongated, narrow and stable ame. The case with higher injection frequency produced lower spray densities, in which droplet dynamics are more susceptible to the velocities of the airow. This inuence of the airow promotes spatial dispersion of droplets, been more prone to instabilities on the local combustion process. These local instabilities are associated to the inuence of periodic coherent structures of the ow passing through the reaction zone, which leads to the intermittent presence of OH and the absence of spontaneous chemical luminescence near the injection plane of the burner.