N-heptano

As Figuras 4.17 e 4.18 apresentam as PDFs dos diâmetros e das velocidades axiais das gotas de n-heptano para as seguintes condições de testes: pressão de injeção de 300 e 420 kPa, posições axiais de medições de 25 e 100 mm a jusante da sede do injetor e temperatura do n-heptano de 0, 30 e 60 ∘_{C. As PDFs foram obtidas com base na medição de 20.000 gotas} detectadas e validadas pela técnica PDPA ao longo de múltiplos ciclos de injeção.

Identicamente à gasolina tipo C (seção 4.3.2), as posições axiais de 25 e 100 mm a justante da sede do injetor foram escolhidas para a análise das características microscópicas do spray do n-heptano. Conforme já explicado, essas duas posições representam características distintas do spray, onde há diferentes padrões de diâmetros e velocidades de gotas.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (a) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (b) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (c) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (d)

Figura 4.16: Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a temperatura de 60∘_{C da gasolina: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300} kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

Na Figura 4.17, pode-se observar que as PDFs dos diâmetros das gotas de n-heptano apresentam comportamentos similares para o mesmo ponto de medição e diferentes pressões de injeção (Figuras 4.17a e 4.17b, 4.17c e 4.17d). No entanto, apresentam diferenças entre os pontos de 25 e 100 mm para a mesma pressão de injeção (Figuras 4.17a e 4.17c, 4.17b e 4.17d). Para a pressão de 300 kPa (Figuras 4.17a e 4.17c), as PDFs apresentam formato mono- modal em ambas as posições de medições. Nota-se que em 25 mm (Figura 4.17a), o pico de maior probabilidade para todas as temperaturas estudadas do n-heptano está centrado ao redor de 10 𝜇m. Já em 100 mm (Figura 4.17c), visualiza-se que o n-heptano a 30∘_{C (NS30) e 60}∘_C (NS60) tem máximos das funções PDFs em torno de 12 𝜇m, enquanto que para 0∘_{C (NS0) o} máximo da função está em aproximadamente 14 𝜇m.

mono-modal em ambas as posições de medições. Observa-se que em 25 mm (Figura 4.17b), as PDFs têm o mesmo comportamento que aquelas de 300 kPa para essa posição, o pico de maior probabilidade para todas as temperaturas está centrado ao redor de 10 𝜇m. Em 100 mm (Figura 4.17d), pode-se verificar que o máximo da função PDF para cada temperatura do n-heptano estudada está centrado em torno de um único diâmetro, isto é, 12 𝜇m.

Comparando os resultados obtidos em cada posição axial, nota-se que o ponto de medição em 100 mm apresenta uma maior probabilidade de se encontrarem gotas com diâmetros maiores do que para o ponto de medição em 25 mm. Conforme já mencionado, acredita-se que esse aumento no tamanho dos diâmetros é devido a coalescência das gotas e evaporação das gotas menores. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C (b) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C (c) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diâmetro ( µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C

(d)

Figura 4.17: Função densidade de probabilidade do diâmetro das gotas de n-heptano para as seguintes pressões de injeção e posições axias de medições: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

Adicionalmente, ao comparar o mesmo ponto de medição e diferentes pressões de injeção não é observado variações significativas entre os diâmetros das gotas. Também se verifica que o aumento da temperatura ocasiona pouca variação na distribuição do diâmetro de gotas do n-heptano.

As PDFs da componente axial das velocidades das gotas de n-heptano para as condições de testes utilizadas podem ser vistas na Figura 4.18. Verifica-se que tanto para as diferentes pressões de injeção quanto para as diferentes posições de medições as PDFs apresentam formato bi-modal. -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C (a) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C (b) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C (c) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Função Densidade de Probabilidade (%)

0°C 30°C 60°C

(d)

Figura 4.18: Função densidade de probabilidade da velocidade das gotas de n-heptano para as seguintes pressões de injeção e posições axias de medições: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm - 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

Da mesma forma que ocorre com as PDFs dos diâmetros das gotas de n-heptano (Fi- gura 4.17), observa-se que as PDFs das velocidades das gotas desse fluido apresentam compor-

tamentos similares para o mesmo ponto de medição e diferentes pressões de injeção (Figuras 4.18a e 4.18b, 4.18c e 4.18d). Porém, apresentam pequenas diferenças entre diferentes posições de medições para a mesma pressão de injeção (Figuras 4.18a e 4.18c, 4.18b e 4.18d).

Para o ponto de medição a 25 mm (Figuras 4.18a e 4.18b), a pressão de injeção de 300 kPa (Figura 4.18a) indica que, para o primeiro máximo das funções PDFs, todas as tempera- turas têm velocidades de aproximadamente 1,0 m/s. No entanto, o segundo máximo da função apresenta diferentes velocidades para cada temperatura. O n-heptano a 0∘_{C (NS0) possui a me-} nor velocidade do segundo máximo, isto é, 27,5 m/s enquanto que o n-heptano a 60∘_{C (NS60)} contém a maior velocidade, 28,8 m/s. Já o n-heptano a 30∘_{C (NS30) apresenta velocidade in-} termediária entre os casos NS0 e NS60. Em relação a pressão de injeção de 420 kPa (Figura 4.18b), observa-se que ocorre um deslocamento entre os máximos das funções PDFs compa- rados com aqueles de 300 kPa. O primeiro máximo tem velocidade de 1,2 m/s para todas as temperaturas. No segundo máximo, verifica-se que a PDF de cada temperatura apresenta com- portamento similar com as de 300 kPa. O caso NS0 tem a menor velocidade, aproximadamente 32,5 m/s, o caso NS60 possui a maior velocidade, 34,5 m/s, e o caso NS30 contém velocidade intermediária entre NS0 e NS60.

Para o ponto de medição a 100 mm (Figuras 4.18c e 4.18d), a pressão de injeção de 300 kPa (Figura 4.18c) indica que, para o primeiro máximo das funções PDFs os casos NS0 e NS30 estão centrados ao redor de 2,4 m/s e o NS60 em 3,3 m/s. No segundo máximo, observa-se que o NS0 possui maior probabilidade de ter gotas com velocidades de 25,5 m/s enquanto que para o NS30 e NS60 a maior probabilidade é de 26,5 m/s. Para a pressão de 420 kPa (Figura 4.18d), novamente pode-se verificar que ocorre um deslocamento entre os máximos das funções PDFs comparados com aqueles de 300 kPa. No primeiro máximo, os casos NS0 e NS30 apresentam probabilidade de terem velocidades em torno de 3,0 m/s e o NS60 em 3,7 m/s. Já para o segundo máximo, nota-se que todas as temperaturas possui maior probabilidade de conter gotas com velocidades de aproximadamente 31,2 m/s.

Analisando os resultados obtidos para as diferentes pressões de injeção, observa-se que para a pressão de 420 kPa, há uma maior probabilidade de se encontrarem gotas com velocida- des maiores do que para a pressão de 300 kPa. Além disso, é possível visualizar que o aumento na temperatura do n-heptano conduz ao aumento de se encontrarem gotas com velocidades mai- ores, com exceção para a posição de 100 mm e pressão de injeção de 420 kPa (Figura 4.18d), onde se verifica que as gotas têm probabilidade de apresentar velocidades similares para as temperaturas estudadas.

Comparando as posições axiais de medições, nota-se que em 100 mm (Figuras 4.18c e 4.18d) tanto aumentou-se a probabilidade de se encontrarem gotas com velocidades na faixa

de 5 a 30 m/s quanto diminui a probabilidade de obter gotas com velocidades entre 0 a 5 m/s em relação a posição de 25 mm (Figuras 4.18a e 4.18b). Esse comportamento indica que pode haver mais gotas com velocidades maiores e menos gotas com velocidades menores comparado a posição de 25 mm. Isso favorece a coalescência das gotas explicando o motivo de se obter gotas de n-heptano com maiores diâmetros na posição de 100 mm.

As Figuras 4.19 e 4.20 apresentam os gráficos de dispersão da componente axial da velo- cidade das gotas em função de seus diâmetros para as posições axiais de medição de 25 e 100 mm a jusante da sede do injetor para as temperaturas de trabalho de 0 e 60∘_{C do n-heptano. Os} gráficos foram elaborados com cerca de 20.000 gotas detectadas e validadas pela técnica PDPA. Para o n-heptano a 0 ∘_{C, ou seja, o caso NS0 (Figura 4.19), observa-se que os padrões} são similares quando comparados tanto para a mesma posição axial e diferentes pressões de injeção (Figuras 4.19a e 4.19b, 4.19c e 4.19d) quanto para diferentes posições axiais e mesma pressão de injeção (Figuras 4.19a e 4.19c, 4.19b e 4.19d). Nota-se, também, que os padrões apresentados na pressão de injeção de 300 kPa (Figuras 4.19a e 4.19c) são similares com os da pressão de injeção de 420 kPa (Figuras 4.19b e 4.19d).

Os padrões de velocidades apresentados no ponto de medição a 25 mm (Figuras 4.19a e 4.19b), indicam que a pressão de injeção influencia nas velocidades das gotas. Ao comparar o gráfico da pressão de 300 kPa (Figura 4.19a) com o da pressão de 420 kPa (Figura 4.19b) para a mesma posição axial, nota-se que para a pressão de 420 kPa há as maiores velocidades em toda a faixa de diâmetros. Também se observa que em 420 kPa há uma diminuição na quantidade de gotas com diâmetros considerados grandes (d𝑑> 80 𝜇m) comparado com 300 kPa.

No ponto de medição a 100 mm (Figuras 4.19c e 4.19d), verifica-se que há uma ligeira diminuição nas velocidades máximas em ambas as pressões, quando comparado com as da posição de 25 mm. Conforme já explicado, isso ocorre devido à atuação das forças de arrasto aerodinâmico das gotas. Também é possível visualizar que em 100 mm há uma quantidade maior de gotas com diâmetros maiores que 80 𝜇m, além de uma maior dispersão tanto das gotas com diâmetros considerados grandes (d𝑑> 80 𝜇m) quanto das gotas com diâmetros pequenos (d𝑑< 80 𝜇m) na faixa de 10 a 30 m/s ao comparar com aquelas da posição em 25 mm.

Ainda é possível notar que no ponto de medição a 100 mm, a pressão de injeção continua a influenciar nas velocidades das gotas. Isso é visto de forma clara ao observar que para a pressão de 420 kPa (Figura 4.19d) as gotas com menores diâmetros até aquelas com maiores diâmetros apresentam uma maior velocidade comparado com as de 300 kPa (Figura 4.19c).

gotas de n-heptano do caso NS0 (Figura 4.18) e os gráficos de dispersão da componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros (Figura 4.19), observa-se que os dois aglomerados com maiores quantidades de gotas apresentados em cada gráfico da Figura 4.19, correspondem aos picos de maiores probabilidades das PDFs do NS0 (Figura 4.18).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (a) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (b) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (c) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (d)

Figura 4.19: Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a temperatura de 0∘_{C do n-heptano: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm -} 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

A Figura 4.20 apresenta os gráficos que correlacionam a componente axial da velocidades das gotas com os seus diâmetros para o n-heptano a 60∘_{C (caso NS60).}

Para o ponto de medição a 25 mm (Figuras 4.20a e 4.20b), verifica-se que a pressão de injeção apresenta grande influência nos padrões das velocidades e dos diâmetros das gotas. Isso pode ser constatado ao observar que para a pressão de 420 kPa (Figura 4.20b), há uma menor quantidade de gotas com diâmetros considerados grandes (d𝑑> 80 𝜇m) e a velocidade máxima

das gotas está em torno de 35 m/s enquanto que para 300 kPa (Figura 4.20a) está próxima de 30 m/s. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (a) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (b) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (c) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diâmetro (µm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidade (m/s) (d)

Figura 4.20: Componente axial da velocidade das gotas em função de seus diâmetros para a temperatura de 60∘_{C do n-heptano: (a) 25 mm - 300 kPa; (b) 25 mm - 420 kPa; (c) 100 mm -} 300 kPa e (d) 100 mm - 420 kPa.

No ponto de medição a 100 mm (Figuras 4.20c e 4.20d), nota-se que os padrões de ve- locidades são similares quando comparados entre a pressão de 300 kPa (Figura 4.20c) e 420 kPa (Figura 4.20d). No entanto, observa-se que para a pressão de 420 kPa, há uma aumento significativo na velocidade das gotas que abrange desde a gota com menor diâmetro até aquela com maior diâmetro. Outra diferença que pode ser constatada na Figura 4.20d, é que não há um aglomerado de gotas de diferentes tamanhos em torno de uma determinada velocidade como aquele que pode ser visto ao redor da faixa de 25 a 30 m/s na Figura 4.20c.

são similares para a mesma pressão de injeção e diferentes posições axiais (Figuras 4.20a e 4.20c, 4.20b e 4.20d). Porém, pode-se observar que há uma maior dispersão tanto das gotas com diâmetros grandes quanto das gotas com diâmetros pequenos na faixa intermediária de velocidades da posição de 100 mm (Figuras 4.20c e 4.20d) quando comparado com a posição de 25 mm (Figuras 4.20a e 4.20b). Observa-se, também, que na posição de 100 mm ocorre um decréscimo na velocidade máxima para as duas pressões de injeção, como já esperado.

Uma breve observação nos gráficos de correlação entre a velocidade e o diâmetro das gotas dos casos NS0 (Figura 4.19) e NS60 (Figura 4.20) revela algumas similaridades entre essas temperaturas. Observa-se que a pressão de 420 kPa apresenta maiores velocidades na posição de 25 mm bem como na posição de 100 mm quando comparado com a pressão de 300 kPa. Nota-se, também, que para o ponto de medição a 100 mm há tanto uma dispersão das gotas de diâmetros grandes e pequenos em uma faixa intermediária de velocidades quanto um decréscimo na velocidade máxima.