On droplet combustion: effect of magneto relaxation heating

Autor: Cesar Flaubiano da Cruz Cristaldo
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2013
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEInstituto Nacional de Pesquisas EspaciaisINPE.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Neste trabalho é investigada a influência de um campo magnético externo alternado no aquecimento, vaporização e combustão de uma gota de ferrofluido (líquido com nanopartículas dispersadas). A resposta das nanopartículas ao campo magnético gera calor no interior da gota devido a relaxação magnética que atua como uma fonte de calor. Este fenômeno é produzido pelo atrito (dissipação viscosa) entre as nanopartículas, com movimento rotatório, e o fluido ao redor das partículas. O movimento de rotação é induzido pelo dipolo magnético fixo em cada nanopartícula, que tende a se alinhar na direção do campo magnético. Na ausência do campo magnético o movimento Browniano das moléculas do líquido é responsável pelo desalinhamento dos dipolos, após colisões com a superfície das nanopartículas. Sob a influência de um campo magnético externo alternado, os processos de alinhamento e desalinhamento são repetido em cada ciclo, produzindo calor por dissipação viscosa devido ao movimento circular periódico e reverso das nanopartículas. Na presente análise, o processo de aquecimento por relaxação magnética, juntamente com o calor do ambiente é estudado. Estes dois mecanismos (aquecimento magnético e fluxo de calor do ambiente gasoso) contribuem para o aquecimento e o aumento da taxa de vaporização da gota de ferrofluido. Assumindo uma alta potência magnética e distribuição uniforme de nanopartículas, o interior da gota é aquecido uniformemente. Porém, uma camada limite térmica é estabelecida na fase líquida adjacente à superfície da gota devido ao fluxo de calor do ambiente. O perfil de temperatura no interior da camada limite térmica é obtido em escalas apropriadas de tempo e espacial. No presente modelo, a gota de ferrofluido é aquecida até sua temperatura de ebulição em um curto intervalo de tempo. Além disso, sob certas condições, a temperatura dentro da camada limite térmica torna-se maior que a temperatura na superfície da gota. Isto leva a gota a atingir a temperatura de ebulição no interior da gota e não na superfície, como descrito pelos modelos clássicos. A diferença de temperatura entre a camada limite térmica e a superfície da gota resulta num fluxo de calor extra para a superfície da gota, resultando num aumento da taxa de vaporização. Além disso, os resultados evidenciam que a camada limite térmica é proporcional ao número de Lewis do oxidante, porém a taxa de vaporização é inversamente proporcional ao número de Lewis.
In this work, the influence of an external alternating magnetic field on heating, va-porization and combustion of a ferrofluid (liquid with dispersed magnetic nanoparticles) droplet is investigated. The response of the magnetic nanoparticles to the magnetic field generates heat inside the droplet, due to magneto relaxation, which acts as a heat source. This phenomenon is produced by friction (viscous dissipation) between rotating nanoparticles and the liquid surrounding them. The rotating motion of the nanoparticles is induced by the magnetic dipole fixed on each nanoparticle, which tends to align itself with the magnetic field. In the absence of magnetic field, Brownian motion of the liquid molecules is responsible for misaligning the dipoles, after collisions with the nanoparticle surface. Under the influence of an external alternating magnetic field, the process of aligning and misaligning repeats itself in each cycle, producing heat by viscous dissipation, due to a periodically reversing nanoparticle circular motion. In the present analysis the process of magneto relaxation heating, together with heat transfer from the ambient is studied. These two mechanisms (magnetic heating and heat flux fro the gas-phase) contribute to droplet heating, hence increasing the vaporization rate of ferrofluid droplets. Assuming a very large magnetic power and a uniform distribution of nanoparticles, the droplet core is uniformly heated. A thermal boundary layer is established in the liquid-phase adjacent to the droplet surface due to heat flux from the ambient atmosphere. The temperature profile inside the thermal boundary layer is obtained in appropriate time and length scales. In the present model, the ferrofluid droplet is heated up to its boiling temperature in a very short time. Additionally, under certain conditions the temperature inside the thermal boundary layer can become higher than the temperature at the droplet surface. This leads to boiling occurs inside the droplet rather than at the surface, as in classical models. The temperature difference between the thermal boundary layer and the droplet surface results in an extra heat flux to the droplet surface, which increases the vaporization rate. Moreover, the results point out that the thermal boundary layer depends directly on the oxidant Lewis number but the vaporization rate reciprocally on it.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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