[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究通过实验探究了氧化石墨烯掺杂柴油液滴及其火焰之间由雾化引起的耦合机制。利用4000 Hz的高速阴影照相与OH∗化学发光成像，研究发现雾化事件会引致液滴直径平方与火焰化学发光的间歇性振荡，雾化前主导频率为25 Hz（由点火器回缩引起），雾化后则转移至5 Hz。关键发现是，雾化是液滴与火焰间低频耦合（5 Hz）的根本原因，且振荡强度随掺杂浓度增加而增强。

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.

研究动机与目标

• 探究在氧化石墨烯（GO）掺杂柴油中是否会出现类似纳米铈氧化物掺杂乙醇中观察到的液滴动力学与火焰化学发光之间的耦合现象。
• 确定液滴直径平方与火焰化学发光振荡的根源原因。
• 研究GO掺杂浓度（0.001–0.02 wt.%）对雾化强度及液滴-火焰耦合动力学的影响。
• 量化雾化事件与液滴及火焰振荡频率成分之间的关系。

提出的方法

• 将纯柴油及GO掺杂柴油（0.001–0.02 wt.%）液滴悬挂在142 µm直径的纤维上，以最小化热传递影响。
• 同步使用高速阴影照相（4000 Hz）捕捉液滴直径平方的动力学，同时通过OH∗化学发光成像（4000 Hz）记录火焰动力学。
• 采用功率谱密度（PSD）与雾化事件间时间间隔倒数的概率密度函数（PDF），对液滴直径平方与火焰化学发光振荡进行时序解析。
• 将雾化强度量化为每次事件开始与结束时液滴直径平方的比值。
• 利用相空间轨迹与庞加莱截面图识别间歇性振荡行为。
• 分析液滴质心的垂直振荡频率，以排除点火器引起的运动影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 GO掺杂柴油液滴的雾化是否会引起液滴直径平方与火焰化学发光振荡之间的耦合，类似于纳米铈氧化物掺杂乙醇中的发现？
• RQ2 观测到的液滴与火焰动力学中25 Hz与5 Hz振荡的根本原因是什么？
• RQ3 GO掺杂浓度（0.001–0.02 wt.%）的增加如何影响雾化事件的强度与频率，以及其与液滴和火焰动力学的耦合特性？
• RQ4 25 Hz振荡频率是否源于液滴相对于悬挂纤维的振荡，还是源于点火器回缩？
• RQ5 液滴直径平方、火焰化学发光与雾化事件的主导频率是否锁定于同一频率？若是，是哪一个？

主要发现

• 雾化事件之间时间间隔倒数的概率密度函数与液滴直径平方振荡的功率谱密度（PSD）均显示，在首次剧烈雾化事件之前，主导概率与功率集中在约25 Hz。
• 首次剧烈雾化事件之后，液滴直径平方与火焰化学发光振荡的主导频率均下降至约5 Hz。
• 液滴直径平方振荡在5 Hz处的功率谱密度约为25 Hz处的10倍，表明低频成分具有更高的能量含量。
• 25 Hz振荡被归因于点火器回缩运动，而非液滴相对于悬挂纤维的振荡，该结论通过垂直位置追踪得到证实。
• 与低浓度相比，GO掺杂浓度为0.005–0.02 wt.%时，液滴直径平方振荡的均方根（RMS）值提高了约100%，且与雾化事件数量和强度的增加呈正相关。
• 雾化事件、液滴直径平方与火焰化学发光的主导频率在雾化后均锁定于5 Hz，表明雾化驱动了三者之间的相干耦合。