[論文レビュー] The role of atomization in the coupling between doped droplets dynamics and their flames

Sepehr Mosadegh, Sina Kheirkhah|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Combustion and flame dynamics参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、酸化グラフェン（GO）を添加したディーゼル燃料の小 droplet とその炎との間の結合を、実験的に調査した。4000 Hzの高速シャドウグラフィーとOH∗化学発光を用い、原子化が発生する際に、小 droplet の直径の二乗と炎の化学発光に間欠的かつ周期的な振動が生じ、炎の化学発光に25 Hzの周波数成分が支配的であることが判明した。これは、点火装置が引き抜かれるに伴う強い原子化の前段階である。原子化後には、周波数が5 Hzにシフトした。主な発見は、原子化が小 droplet と炎の間で低周波数（5 Hz）の結合を引き起こす根本的要因であるということであり、ドーピング濃度が高くなるほど振動の強度が増大する。

ABSTRACT

The droplet and flame chemiluminescence dynamics as well as their coupling during atomization events of graphene oxide doped diesel are investigated experimentally. The tested doping concentrations are 0, 0.001, 0.005, 0.01, and 0.02% by weight. To minimize heat transfer between the droplet and its suspension mechanism, small diameter fibers are used for the droplet suspension. Separate shadowgraphy and OH* chemiluminescence measurements are performed at 4000 Hz to study the droplet and flame dynamics, respectively. The results show that both the droplet diameter squared and the flame chemiluminescence feature intermittent oscillations. The droplet diameter squared oscillations RMS is positively related to the number and intensity of the atomization events and the graphene oxide doping concentration. The probability density function of the inverse of the time separation between two consecutive atomization events and the power spectrum density of the droplet diameter squared oscillations feature dominant large probabilities and powers at about 25 Hz prior to the occurrence of the first intense atomization event. After the occurrence of the first intense atomization event, this frequency decreases to about 5 Hz for both. Although the intense atomization triggers the large amplitude oscillations at 5 Hz, it was argued that the retracting motion of the igniter induces the oscillations at 25 Hz. Our findings suggest that the atomization events are the root cause of the smaller frequency coupling between liquid fuel droplets doped with graphene oxide and their flames. This has implications for spray combustion research.

研究の動機と目的

• ナノセリウム酸化物を添加したエタノールで観察された小 droplet 動態と炎の化学発光の間の結合が、酸化グラフェン（GO）を添加したディーゼルでも生じるかどうかを調査すること。
• 小 droplet の直径の二乗と炎の化学発光の振動に観察された原因を特定すること。
• GOドーピング濃度（0.001–0.02 wt.%）が原子化強度および小 droplet-炎結合ダイナミクスに与える影響を検討すること。
• 原子化イベントと小 droplet および炎の振動の周波数成分との関係を定量すること。

提案手法

• 熱伝導を最小限に抑えるために、142 µmの直径を有する繊維に、純粋およびGOドーピングディーゼル（0.001–0.02 wt.%）の小 droplet を保持した。
• 同時に、4000 Hzの高速シャドウグラフィーを用いて小 droplet の直径の二乗のダイナミクスを記録した。一方、4000 HzのOH∗化学発光イメージングにより炎のダイナミクスを記録した。
• 原子化イベント間の逆時間間隔の確率密度関数（PDF）およびパワー スペクトル密度（PSD）を用いて、小 droplet の直径の二乗と炎の化学発光の振動の時間分解能解析を実施した。
• 原子化強度は、各イベントの開始時と終了時の小 droplet の直径の二乗の比として定量化した。
• 間欠的振動行動の特定に、位相空間軌道とポアンカレ写像を用いた。
• 点火装置に起因する運動の影響を分離するために、小 droplet の中心の垂直振動周波数を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GOドーピングディーゼル小 droplet における原子化が、ナノセリウム酸化物ドーピングエタノールと同様に、小 droplet の直径の二乗と炎の化学発光の振動の間の結合を引き起こすか？
• RQ2 観察された25 Hzおよび5 Hzの振動の根本的要因は何か？
• RQ3 GOドーピング濃度（0.001–0.02 wt.%）を増加させることで、原子化イベントの強度と周波数、およびそれらが小 droplet と炎のダイナミクスに与える結合にどのような影響を与えるか？
• RQ4 25 Hzの振動周波数は、小 droplet と支持線維との相対的振動に起因するのか、それとも点火装置の引き抜きに起因するのか？
• RQ5 小 droplet の直径の二乗、炎の化学発光、および原子化イベントの主な周波数が共通の周波数にロックオンするか。もしそうならば、どの周波数か？

主な発見

• 連続する原子化イベント間の逆時間間隔の確率密度関数と、小 droplet の直径の二乗の振動のパワー スペクトル密度の両方とも、最初の強い原子化イベントの前には約25 Hzにピークを示した。
• 最初の強い原子化イベントの後、小 droplet の直径の二乗と炎の化学発光の振動の両方の支配的周波数が約5 Hzに低下した。
• 5 Hzにおける小 droplet の直径の二乗の振動のパワー スペクトル密度は、25 Hzのときよりも約1桁大きい値を示しており、低周波数帯域により高いエネルギー含量があることを示している。
• 25 Hzの振動は、支持線維に対する小 droplet の振動とは異なり、点火装置の引き抜き運動に起因すると特定された。垂直位置の追跡により、この結論が裏付けられた。
• 0.005–0.02 wt.%のドーピング濃度では、小 droplet の直径の二乗の振動のRMSが、低濃度時と比較して約100%増加した。これは、原子化イベントの数と強度が増加することと相関していた。
• 原子化後、炎の化学発光、小 droplet の直径の二乗、および原子化イベントの支配的周波数がすべて5 Hzにロックオンした。これは、原子化が原因で生じる一貫性のある結合を示している。