Experimental and numerical investigations on combustion of isolated methanol droplets in normal and reduced gravity at high pressure

In the automotive, aviation, and space industries, the growing demand for environmentally friendly, low-impact fuels and propellants to mitigate greenhouse gas emissions while maintaining performance is evident. This demand has spurred the development of various green fuels and fuel additives as potential alternatives to current transportation fuels. Studying the performances, combustion characteristics, and pollutant emissions of these fuels requires a comprehensive understanding, and isolated droplet combustion studies play a crucial role in this exploration. This work focused on experiments and simulations of isolated fuel droplets combustion, investigating the burning history of methanol, recognized as a promising green fuel for the future of transportation due to its low greenhouse gas emissions and minimal environmental impact in production. Specifically, isolated methanol droplet combustion experiments were conducted in reduced and normal gravity environments at high pressures, mimicking conditions typical of modern car and jet engines. The use of a drop tower allowed for experiments in a low buoyancy and nearly non-convective environment, resembling conditions found in space. This setup facilitated the development of a spherical flame, enabling accurate 1D numerical modeling of the combustion phenomena. The introduction of a high-pressure environment made this study unique in analyzing a broad spectrum of combustion characteristics of methanol droplets under unexplored conditions. Parameters such as combustion rate, flame standoff ratio, soot production, extinction point, and liquid species mass fraction were investigated. The study also addressed the sensitivity of specific physical models, notably condensation and circulation, proving essential for accurately capturing experimental data. This comprehensive approach contributes valuable insights into the combustion behavior of methanol droplets, essential for advancing the understanding of green fuel utilization in various transportation applications.

Nell'industria automobilistica, dell'aviazione e spaziale, è evidente la crescente domanda di carburanti e propellenti a basso impatto ambientale per mitigare le emissioni di gas serra, mantenendo al contempo le prestazioni. Tale domanda ha stimolato lo sviluppo di vari carburanti verdi e additivi combustibili come potenziali alternative ai carburanti per il trasporto attualmente utilizzati. Lo studio delle prestazioni, delle caratteristiche di combustione e delle emissioni di inquinanti di questi carburanti richiede una comprensione approfondita, e gli studi di combustione di goccioline isolate svolgono un ruolo cruciale in questa esplorazione. Questo lavoro si è concentrato su esperimenti di combustione di goccioline di carburante isolate, indagando sul processo di combustione del metanolo, riconosciuto come un promettente carburante verde per il futuro del trasporto grazie alle sue basse emissioni di gas serra e al minimo impatto ambientale nella produzione. In particolare, sono stati condotti esperimenti di combustione di goccioline isolate di metanolo in ambienti a gravità normale e ridotta a pressioni elevate, simulando condizioni simili a quelli comunemente trovate nei moderni motori di automobili e aerei. L'uso di una torre di caduta ha consentito di effettuare esperimenti in un ambiente a convenzione estremamente ridotta, simile alle condizioni che si possono ottenere con voli spaziali. Questa configurazione ha facilitato lo sviluppo di una fiamma sferica, consentendo una modellazione numerica accurata dei fenomeni di combustione in 1D. L'introduzione di un ambiente ad alta pressione ha reso unico questo studio nell'analizzare un ampio spettro di caratteristiche di combustione di gocce di metanolo in condizioni precedentemente inesplorate. Sono stati indagati parametri quali il rateo di combustione, il diametro di fiamma, la produzione di fuliggine, il punto di estinzione e la frazione di massa delle specie liquide. Lo studio ha affrontato anche la sensibilità di specifici modelli fisici, in particolare circolazione e condensazione, dimostratisi essere essenziali per catturare accuratamente i dati sperimentali. Questo approccio contribuisce a fornire preziose osservazioni sul comportamento di combustione delle goccioline di metanolo, essenziali per avanzare la comprensione nell'utilizzo di carburanti verdi in diverse applicazioni.