[논문 리뷰] The role of atomization in the coupling between doped droplets dynamics and their flames

Sepehr Mosadegh, Sina Kheirkhah|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 05.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 42인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고체산화물 도핑된 디젤 방울과 그들의flame 사이의 기계적 결합 메커니즘을 실험적으로 조사한다. 4000 Hz에서 고속 影像 및 OH∗ 빛방출을 이용하여, 분무가 일어나기 이전에 25 Hz의 주파수로 간헐적인 진동이 발생하고, 분무가 강하게 일어난 후에는 5 Hz로 주파수 이동이 일어남을 규명하였다. 주요 발견은 분무가 디젤 방울과flame 사이의 저주파수 결합(5 Hz)의 근본 원인임을 밝혀냈으며, 도핑 농도가 높을수록 진동 강도가 증가함을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노세리아 도핑 에탄올에서 관찰된 디젤 방울의 동역학과flame 빛방출 간의 결합 현상이 그래핀 옥사이드(GO) 도핑 디젤에서 발생하는지 조사하기 위해.
• 디젤 방울의 직경 제곱과flame 빛방출 진동에서 관찰된 진동의 근본 원인을 규명하기 위해.
• GO 도핑 농도(0.001–0.02 wt.%)가 분무 강도와 디젤 방울-flame 간 결합 동역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 분무 이벤트와 디젤 방울 및flame 진동의 주파수 성분 간의 정량적 관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 열전도를 최소화하기 위해 142 µm 직경의 섬유에 고정된 순수 및 GO 도핑 디젤 방울을 사용하였다.
• 동시 고속 影상(4000 Hz)을 통해 디젤 방울의 직경 제곱 동역학을 촬영하였고, OH∗ 빛방출 영상(4000 Hz)을 통해flame 동역학을 기록하였다.
• 분무 이벤트 간 간격의 역수의 확률밀도함수(PDF)와 디젤 방울 직경 제곱 진동의 파wer 스펙트럼 밀도(PSD)를 사용하여 시간에 따른 분석을 수행하였다.
• 분무 강도는 각 이벤트 시작 시점과 끝 시점의 디젤 방울 직경 제곱의 비율로 정량화하였다.
• 간헐적인 진동 행동을 식별하기 위해 위상공간 궤적과 Poincaré 도표를 사용하였다.
• 가열기 유도 운동의 영향을 분리하기 위해 디젤 방울 중심의 수직 진동 주파수를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GO 도핑 디젤 방울에서의 분무가 디젤 방울 직경 제곱과flame 빛방출 진동 간의 결합을 유도하는가? 이는 나노세리아 도핑 에탄올에서의 결과와 유사한가?
• RQ2 디젤 및flame 동역학에서 관찰된 25 Hz 및 5 Hz 진동의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ3 GO 도핑 농도(0.001–0.02 wt.%)를 증가시킬 경우, 분무 이벤트의 강도와 주파수, 그리고 디젤 방울 및flame 동역학과의 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 25 Hz 진동 주파수의 원인은 방울의 지지선에 대한 진동인지, 아니면 가열기 후퇴 때문인가?
• RQ5 디젤 방울 직경 제곱,flame 빛방출, 분무 이벤트의 주요 주파수들이 공통 주파수에 고정되는가? 만약 그렇다면, 어느 주파수인가?

주요 결과

• 연속적인 분무 이벤트 간 간격의 역수의 확률밀도함수와 디젤 방울 직경 제곱 진동의 파워 스펙트럼 밀도 모두 첫 번째 강한 분무 이벤트 이전에 약 25 Hz에서 주요 확률과 파워를 보였다.
• 첫 번째 강한 분무 이벤트 이후, 디젤 방울 직경 제곱과flame 빛방출 진동의 주요 주파수는 약 5 Hz로 감소하였다.
• 5 Hz에서의 디젤 방울 직경 제곱 진동 파워 스펙트럼 밀도는 25 Hz에서의 값보다 약 10배 이상 높았으며, 이는 저주파수에서 더 큰 에너지 밀도를 가짐을 시사한다.
• 25 Hz 진동은 지지선에 대한 디젤 방울 진동이 아니라, 가열기 후퇴 운동으로 인한 것으로 확인되었으며, 수직 위치 추적을 통해 검증되었다.
• 0.005–0.02 wt.% 도핑 농도에서 디젤 방울 직경 제곱 진동의 루트 평균 제곱(RMS) 값은 낮은 농도에 비해 약 100% 증가하였으며, 이는 분무 이벤트의 수와 강도가 증가함과 동시에 상관관계를 보였다.
• 분무 이후,flame 빛방출, 디젤 방울 직경 제곱, 분무 이벤트의 주요 주파수 모두 5 Hz로 고정되었으며, 이는 분무에 의해 유도된 공명적인 결합을 나타낸다.