MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798382843865
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31243076
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a536
■1001  ▼aDiReda,  Nicholas.▼0(orcid)0000-0001-8053-5723
■24510▼aAdvancing  Combustion  Technology:  A  Focus  on  Alternative  Liquid  Fuels  and  Innovative  Designs  of  Porous  Media  Burners
■260    ▼a[Sl]▼bCornell  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a135  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Sobhani,  Sadaf.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Cornell  University,  2024.
■520    ▼aIncreasing  demands  for  energy  efficiency  and  reduced  emissions  drive  ongoing  advancements  in  combustion  technology.  Traditional  combustion  methods  face  challenges  related  to  efficiency,  emissions,  and  fuel  flexibility.  Therefore,  a  need  exists  for  novel  combustion  technologies  that  innovate  fuel  utilization  and  combustion  processes.  The  exploration  of  alternative  liquid  fuels,  replacing  conventional  options  like  ethanol,  holds  considerable  potential  in  enhancing  overall  energy  consumption  and  expanding  fuel  options.  Similarly,  porous  media  burners  (PMBs)  present  a  transformative  approach,  offering  improved  combustion  efficiency,  leaner  flammability  limits,  and  reduced  emissions.  This  thesis  ventures  to  explore  and  advance  these  novel  combustion  technologies,  aiming  to  enhance  our  understanding  of  the  fundamental  thermodynamic  mechanisms  and  provide  practical  insight  into  real  world  applications.First,  we  present  an  experimental  and  computational  analysis  of  the  isolated  droplet  burning  of  two  furanic  compounds,  2-methylfuran  (MF)  and  2,5  dimethylfuran  (DMF),  noted  by  the  Department  of  Energy  as  prospective  biomass  derived  additives  into  existing  petroleum-based  fuels.  Experiments  were  performed  in  a  reduced  gravity  environment,  facilitating  one-dimensional  burning  amenable  to  numerical  simulations  with  detailed  chemistry.  Further,  the  oxidative  stability  of  stored  samples  was  investigated.  Gas  chromatography-mass  spectrometry  (GC-MS)  revealed  important  considerations  when  storing  DMF  due  to  the  polyunsaturated  chemical  structure  and  a  susceptibility  to  oxidation  and  chemical  breakdown.  Nonetheless,  these  fuels  are  considered  "top  tier"  alternatives  because  of  the  well-established  production  methods  from  biomass.Second,  we  studied  the  effects  of  dynamic  stability  in  a  conventional  SiC  PMB,  motivated  by  the  fluctuating  fuel  flow  and  composition  in  biomass  gasification.  Experiments  involved  varying  sinusoidal  equivalence  ratios  (Φ)  while  maintaining  constant  flow  rate  to  simulate  volatility  from  the  gasification  process.  Tests  across  different  Φ  amplitudes  and  forcing  frequencies  revealed  a  nonmonotonic  relationship  between  mixture  pore  scale  Reynolds  number  (Repore)  and  dynamic  stabilization.  Notably,  a  Φ  of  0.2  was  sustained  under  specific  initial  conditions,  corresponding  to  the  widest  flammability  range  on  the  steady  stability  map.  However,  emissions  data  showed  higher  CO  accumulation  during  sinusoidal  experiments  compared  to  baseline,  attributed  to  the  convective  lag  of  fuel  during  a  cycle.  Additionally,  a  transfer  function  derived  from  stable  data  predicted  system  response  under  different  conditions.  This  study  provides  insights  into  the  dynamic  thermal  response  of  PMBs  and  the  potential  for  controlling  combustion  in  bio-derived  fuels  from  fluctuating  sources.Next,  we  employed  additive  manufacturing  (AM)  to  create  and  analyze  four  PMBs  with  internal  morphology  inspired  by  biological  systems,  such  as  butterfly  wings  and  mitochondrial  membranes.  Specifically,  we  integrated  the  triply  periodic  minimal  surfaces  (TPMS)  architectures  of  diamond  (D),  gyroid  (G),  IWP  (I),  and  Schwartz  primitive  (P)  into  PMBs.  Each  burner  was  designed  to  a  constant  porosity  of  0.75  and  similar  pore-size  gradation  scheme.  Experimental  analyses  cover  lean  stability,  emissions,  and  temperature  distribution.  A  volume-averaged  model  utilizing  correlations  for  Nusselt  numbers  specific  to  each  TPMS  was  used  to  predict  stability  regimes  and  temperature  profiles.  Lastly,  computational  fluid  dynamics  (CFD)  was  performed  to  explore  the  porescale  hydrodynamic  and  heat  transfer  mechanisms  underlying  the  experimental  observations.  We  found  the  I  and  D  burners  exhibited  the  widest  stable  operation  ranges  and  highest  temperatures.  Additionally,  the  volumetric  heat  transfer  coefficient  used  within  the  model  captured  the  trends  seen  experimentally.  Furthermore,  pore-scale  simulations  revealed  the  existence  of  thermal  "pockets"  potentially  explaining  the  enhanced  interphase  heat  exchange  unique  to  the  I  burner  at  low  flow  rates.  This  study  isolates  morphologic  effects  on  combustion  performance,  highlighting  interphase  heat  exchange  as  a  dominant  factor.  Our  results  underscore  the  importance  of  internal  morphology  and  the  influence  on  combustion  physics.Finally,  we  studied  the  impact  of  porosity,  morphology,  and  material  composition  on  the  mechanical  performance  of  AM  ceramic  PMBs.  Thermal-structural  simulations  of  five  different  TPMS-based  PMBs  were  conducted  to  analyze  thermal-stress  distributions.  Alumina  and  mullite  structures  were  3D-printed  and  tested  in  a  methane-air  combustion  experiment,  revealing  superior  durability  in  mullite  compared  to  alumina.  TPMS  burners  with  higher  specific  surface  area,  tortuosity,  and  moderate  pore  diameter,  such  as  D  and  I,  exhibited  lower  thermal  strain  and  reduced  propensity  for  thermal-structural  failure  while  maintaining  the  ability  to  sustain  a  flame.  X-ray  imaging  confirmed  a  correlation  between  predicted  stress  regions  and  experimental  crack  formation.  These  findings  provide  a  foundation  for  future  work  in  optimizing  PMB  performance  and  longevity  through  AM  techniques.
■590    ▼aSchool  code:  0058.
■650  4▼aThermodynamics
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■650  4▼aEnergy
■650  4▼aAnalytical  chemistry
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■653    ▼aPorous  media  burners
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■71020▼aCornell  University▼bMechanical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-12B.
■790    ▼a0058
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17161390▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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