Thesis (M.S. in Mechanical Engiineering)--Naval Postgraduate School, June 2009. / Thesis Advisor(s): Gannon, Anthony J. "June 2009." Author(s) subject terms: Computational Fluid Dynamics, Transonic, Compressor, Steam Ingestion, Sanger Rotor. Description based on title screen as viewed on July 10, 2009. Includes bibliographical references (p. 61). Also available in print.

En framtida alternativ framdrivningsmetod av fartyg skulle kunna vara en ångjetstråle som expanderas via en ejektor. Syftet med studien var att utföra ett experiment med två olika typer av utloppsmunstycken på ejektorns diffusor, för att därigenom ta reda på vilken design som lämpar sig för denna framdrivningsmetod samt vilken tryckkraft som är möjlig att uppnå. Studiens resultat är tänkt att användas som underlag för fortsatta studier om fartygsframdrift med ångjetstråle via en ejektor, för att eventuellt kunna öka energieffektiviteten i jämförelse med dagens framdrivningsmetoder. Resultatet visar att en cirkulär strålbild ger högst tryckkraft trots ett lägre inloppstryck vid en vattentemperatur på 70 °C i jämförelse med en platt strålbild vid ett högre inloppstryck och samma temperatur. Experimentet gav ingen mätbar tryckkraft vid expansion av fuktig ånga med ett tryck på 3 MPa och en temperatur på 150 °C. / A future alternative propulsion method of ships could be a steam jet that is expanded via an ejector. The purpose of the study was to conduct an experiment on two different types of outlet nozzles on the diffuser of the ejector. This was carried out to find which design that is suitable for this propulsion method and what propulsion force that was possible to achieve. The result of the study was then thought to be used as a basis for further studies of steam jet propulsion through an ejector, to possibly increase the energy efficiency in comparison with today's propulsion methods. The result shows that a circular jet provides maximum propulsion force despite a lower inlet pressure and a water temperature at 70 °C in comparison with a flat jet at higher inlet pressures and equal temperature. The experiment gave no measurable propulsion force when expanding wet steam at a pressure of 3 MPa and a temperature at 150 °C.

Kraft recovery boiler smelt is shattered into small droplets by an impinging steam jet to prevent smelt-water explosions in the dissolving tank. Inadequate shattering increases the likelihood of dissolving tank explosions. While industry has not dedicated much effort to smelt shattering, the safety implications require smelt shattering to be studied in detail. An experimental set-up was constructed to simulate the shattering operation using a water-glycerine solution and air instead of smelt and steam respectively. The objective was to examine how physical properties and flow characteristics affect shattering. It was found that increasing shatter jet velocity greatly reduced droplet mean diameter. Increasing the liquid flow rate greatly increased droplet size, as expected. Shattering was not significantly affected by viscosity, unless a weak shatter jet was used on a highly viscous fluid. Increasing the proximity of the shatter jet nozzle decreased droplet size.

Kraft recovery boiler smelt is shattered into small droplets by an impinging steam jet to prevent smelt-water explosions in the dissolving tank. Inadequate shattering increases the likelihood of dissolving tank explosions. While industry has not dedicated much effort to smelt shattering, the safety implications require smelt shattering to be studied in detail. An experimental set-up was constructed to simulate the shattering operation using a water-glycerine solution and air instead of smelt and steam respectively. The objective was to examine how physical properties and flow characteristics affect shattering. It was found that increasing shatter jet velocity greatly reduced droplet mean diameter. Increasing the liquid flow rate greatly increased droplet size, as expected. Shattering was not significantly affected by viscosity, unless a weak shatter jet was used on a highly viscous fluid. Increasing the proximity of the shatter jet nozzle decreased droplet size.

The Aerosol Mass Spectroscopy (AMS) is a recently developed method that provides on-line measurements of the chemical composition, mass spectrum and mass distributions of the atmospheric aerosol. Using the AMS with a thermodenuder in smog chamber experiments of ozonolysis of α-pinene, β-pinene and limonene, the mass spectrum of the secondary organic aerosols (SOA) is deconvoluted in low, medium and high volatility mass spectra. The spectrum of the surrogate component with the lower volatility for α-pinene and β-pinene is quite similar to that of ambient oxygenated organic aerosol (OOA). This could explain part of the difference between the AMS mass spectrum in the lab and the field. Combining an AMS and a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) in smog chamber experiments of α-pinene, β-pinene and limonene ozonolysis, the density of the SOA is calculated and estimated between 1.4 and 1.65 g cm-3. This high density implies that the SOA is likely in a solid or a waxy state. The method is applied on field measurements at Finokalia, Crete during the FAME. For the summer campaign (FAME-08) the organic density is in the range of 0.8 and 1.8 g cm-3 with a mean value of 1.35±0.22 g cm-3¬, while for the winter (FAME-09) the average organic density is 1.14±0.36 g cm-3. This technique can also calculate the Collection Efficiency (CE) of the AMS, since AMS does not measure all the particles that enter the instrument. Applying the estimated CE, the AMS is in a good agreement with other instrumentation. The CE and the organic density of the thermodenuded samples are calculated as well. The CE and the organic density both for the ambient and the themodenuded samples are used as post corrections in the volatility estimation. For FAME-08 the organic aerosol is one order of magnitude less volatile than laboratory-generated α-pinene SOA. Furthermore they are highly oxidized due to the photochemistry conditions (especially in the summer) and the station location (away from detectable sources of pollution). Finally, modifying the steam-jet aerosol collector (SJAC) method both particulate and gas phase of the main inorganic species can be measured. Testing the approach at ambient conditions at the ICE-FORTH Institute, we were able to measure together with the inorganic aerosol composition the gas-phase concentrations of NH3, HONO and very low HNO¬3. The results are consistent with the predictions of the thermodynamic model ISORROPIA. / Τα αεροζόλ είναι σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Η Φασματομετρία Μάζας Αεροζόλ (AMS) είναι μία νέα μέθοδος που μπορεί να δώσει ταυτόχρονα και σε πραγματικό χρόνο τη χημική σύσταση, το φάσμα μάζας και τις κατανομές μάζας των ατμοσφαιρικών σωματιδίων. Χρησιμοποιώντας το AMS με έναν θερμικό απογυμνωτή σε πειράματα οζονόλυσης α-πινενίου, β-πινενίου και λεμονενίου σε περιβαλλοντικό θάλαμο, το φάσμα μάζας των δευτερογενών οργανικών σωματιδίων (SOΑ) αναλύεται σε 3 επιμέρους φάσματα, ανάλογα με την πτητικότητα των οργανικών σωματιδίων. Το φάσμα που αντιστοιχεί στις ενώσεις με τη χαμηλότερη πτητικότητα για το α- και β-πινένιο είναι αρκετά όμοιο με αυτό των οξυγονωμένων οργανικών σωματιδίων (ΟΟΑ) από το περιβάλλον. Αυτό εξηγεί και μέρος της διαφοράς του φάσματος μάζας AMS μεταξύ εργαστηρίου και πεδίου. Συνδυάζοντας το AMS με ένα σαρωτή μεγέθους κινούμενων σωματιδίων (SMPS) υπολογίζεται η πυκνότητα των SOA από οζονόλυση α-πινενίου, β-πινενίου και λεμονενίου μεταξύ 1.4 και 1.65 g cm-3. Η σχετικά υψηλή τιμή της πυκνότητας μάλλον σημαίνει ότι τα παραγόμενα σωματίδια είναι στερεά ή κερώδη.Η παραπάνω μέθοδος εφαρμόζεται σε μετρήσεις πεδίου στη Φινοκαλιά, στην Κρήτη (FAME). Για το FAME-08 (καλοκαίρι) η πυκνότητα των οργανικών σωματιδίων είναι μεταξύ 0.8 και 1.8 g cm-3 με μέση τιμή 1.35±0.22 g cm-3, ενώ για το FAME-09 (χειμώνας) η μέση τιμή είναι 1.14±0.36 g cm-3. Η τεχνική αυτή υπολογίζει και το ποσοστό συλλογής (CE) σωματιδίων του AMS, καθώς το AMS μετράει ένα ποσοστό αυτών. Εφαρμόζοντας την CE που υπολογίζεται, η συμφωνία μεταξύ του AMS και άλλων οργάνων είναι αρκετά καλή. Υπολογίζεται επίσης η CE και η πυκνότητα των οργανικών για τα δείγματα που έχουν θερμανθεί στον θερμικό απογυμνωτή. Οι CE και οι οργανικές πυκνότητες χρησιμοποιούνται ως διορθώσεις για την αποφυγή υποεκτίμησης της πτητικότητας του οργανικού αεροζόλ. Για το FAME-08 οι οργανικές ενώσεις είναι περισσότερο από μία τάξη μεγέθους λιγότερο πτητικές από τα SOA που δημιουργούνται σε συνθήκες εργαστηρίου. Επίσης είναι υψηλά οξειδωμένες λόγω της φωτοχημείας (καλοκαίρι) και της τοποθεσίας της δειγματοληψίας (μακριά από πρωτογενείς ρύπους). Τέλος τροποποιώντας τη μέθοδο δειγματοληψίας υγροποιημένων σωματιδίων (SJAC) είναι δυνατό να μετρηθεί και η σωματιδιακή αλλά και η αέρια φάση των κυρίως ανόργανων ενώσεων. Πειράματα που έγιναν από δειγματοληψία στο ΕΙΧΗΜΥΘ δείχνουν την ύπαρξη ΝΗ3 αλλά σχεδόν μηδενικού ΗΝΟ3. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με ένα θερμοδυναμικό μοντέλο (ISΟRROPIA) και η συμφωνία είναι καλή.