Design and Analysis: Servo-Tube-Powered Liquid Jet Injector for Drug Delivery Applications

The current state of commercially available needle-free liquid jet injectors for drug delivery offers no way of controlling the output pressure of the device in real time, as the driving mechanism for these injectors provides a fixed delivery pressure profile. In order to improve the delivery efficiency as well as the precision of the targeted tissue depth, it is necessary to develop a power source that can accurately control the plunger velocity. The duration of a liquid jet injection can vary from 10 to 100 ms, and it generate acceleration greater than 2 g (where g is the gravity); thus, a platform for real-time control must exhibit a response time greater than 1 kHz and good accuracy. Improving the pioneering work by Taberner and others whereby a Lorentz force actuator based upon a voice coil is designed, this study presents a prototype injector system with greater controllability based on the use of a fully closed-loop control system and a classical three-phase linear motor consisting of three fixed coils and multiple permanent magnets. Apart from being capable of generating jets with a required stagnation pressure of 15–16 MPa for skin penetration and liquid injection, as well as reproducing typical injection dynamics using commercially available injectors, the novelty of this proposed platform is that it is proven to be capable of shaping the real-time jet injection pressure profile, including pulsed injection, so that it can later be tailored for more efficient drug delivery

Modeling and characterization of a voice coil motor

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 45-46).This thesis describes the development of a voice-coil motor that will allow viscous fluids to be delivered via a portable needle-free injection device. The chosen motor design features opposing magnets whose flux is channeled across the air gap by a center radial magnet, thus creating a higher flux density in the gap compared to a one-magnet design. An analytical model is developed which gives the force of the motor based on the material properties and geometry. An optimized geometry is modeled using finite element analysis, which predicts a motor constant of 11.02 N/[the square root of]W. The motor is fabricated and characterization reveals it to have a motor constant of 8.43 N/[the square root of]W. Althought the motor constant is less than expected, it is a large improvement over the current motor used in needle-free injection, which has a motor constant of 3.21 N/[the square root of]W.by Ashley Brown.S.B

Lorentz-force actuator for needle-free injection

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2011.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 67-68).The BioInstrumentation Laboratory at MIT developed a needle-free injector that is driven by a Lorentz-force actuator. The current model was able to generate pressures of up to 20 MPa in order to drive a jet of water based solution. In order to improve the needle-free injector, a new Lorentz-force actuator was designed and modeled using finite element analysis software. The new magnetic configuration included a radially-magnetized ring that generated a larger magnetic field across the airgap of the Lorentz-force actuator. Calculated peak forces were between 400 N and 600 N depending upon the position of the stroke length and the current density through the coil. Saturation in the steel core and casing, onsetting at a current density of about 108 A/m 2 , resulted in diminishing returns in force from an increasing current density. The rheological properties of poly(ortho) ester were measured for determining the feasibility of injecting viscous drug mediums. Of the two samples provided, the less viscous batch had a measured viscosity of 2.5 Pa-s and exhibited shear thinning at a shear rate of about 1000 s-1. Shear thinning has a large effect on the required pressure for injecting poly(ortho) ester at sufficient velocities. Finally, a benchtop experiment was designed and built to measure the force output of a BEI Kimco Lorentz-force linear actuator. A circuit was built to charge and discharge a capacitor that drives the output of the coil. Forces of up to 1000 N were measured at a stored capacitor voltage of 200 V. The time to peak force output was measured between 4 and 5 ms for high and low voltages respectively. Inefficient switching resulted in lower than expected forces below 40 V while increased resistance increased the damping of the overall system. Saturation was observed in the coil at voltages of 70 V and higher. The current capacity of the coil will continue to be pushed to the maximum stored value of 500 V.by Jonathan Michael Mendoza.S.B

Thermal effects influence on the Diesel injector performance through a combined 1D modelling and experimental approach

[EN] The injection system is one of the topics that has been paid most attention to by researchers in the field of direct injection diesel engines, due to its key role on fuel atomization, vaporization and air-fuel mixing process, which directly affect fuel consumption, noise irradiation and pollutant emissions. The increasing injection pressures in modern engines have propitiated the need of studying phenomena such as cavitation, compressible flow or the effect of changes in the fuel properties along the process, whose relative importance was lower in early stages of the reciprocating engines development. The small dimensions of the injector ducts, the high velocities achieved through them and the transient nature of the process hinder the direct observation of these facts. Computational tools have then provided invaluable help in the field. The objective of the present thesis is to analyse the influence of the thermal effects on the performance of a diesel injector. To this end, the fuel temperature variation through the injector restrictions must be estimated. The influence of these changes on the fuel thermophyisical properties relevant for the injection system also needs to be assessed, due to its impact on injector dynamics and the injection rate shape. In order to give answer to the previous objectives, both experimental and computational techniques have been employed. A dimensional and a hydraulic experimental characterization of a solenoid-actuated Bosch CRI 2.20 injector has been carried out, including rate of injection measurements at a wide range of operating conditions, with special attention to the fuel temperature control. A 1D computational model of the injector has been implemented in order to confirm and further extend the findings from the experiments. Local variations of fuel temperature and pressure are considered by the model thanks to the assumption of adiabatic flow, for which the experimental characterization of the fuel properties at high pressure also had to be performed. The limits of the validity of this assumption have been carefully assessed in the study. Results show a significant influence of the fuel temperature at the injector inlet on injection rate and duration, attributed to the effect of the variation of the fuel properties and to the fact that the injector remains in ballistic operation for most of its real operating conditions. Fuel temperature changes along the injector control orifices are able to importantly modify its dynamic behaviour. In addition, if the fuel at the injector inlet is at room temperature or above, the temperature at the nozzle outlet has not been proved to importantly change once steady-state conditions are achieved. However, a significant heating may take place for fuel temperatures at the injector inlet typical of cold-start conditions.[ES] El sistema de inyección es uno de los elementos que más interés ha despertado en la investigación en el campo de los motores diésel de inyección directa, debido a su papel clave en la atomización y vaporización del combustible así como en el proceso de mezcla, que afectan directamente al consumo y la generación de ruido y emisiones contaminantes. Las crecientes presiones de inyección en motores modernos han propiciado la necesidad de estudiar fenómenos como la cavitación, flujo compresible o el efecto de los cambios de las propiedades del combustible a lo largo del proceso, cuya importancia relativa era menor en etapas tempranas del desarrollo de los motores alternativos. Las pequeñas dimensiones de los conductos del inyector, las altas velocidades a través de los mismos y la naturaleza transitoria del proceso dificultan la observación directa en estas cuestiones. Por ello, las herramientas computacionales han proporcionado una ayuda inestimable en el campo. El objetivo de la presente tesis es analizar la influencia de los efectos térmicos en el funcionamiento de un inyector diésel. Para tal fin, se debe estimar la variación de la temperatura del combustible a lo largo de las restricciones internas del inyector. La influencia de estos cambios en las propiedades termofísicas del combustible más relevantes en el sistema de inyección también debe ser evaluada, debido a su impacto en la dinámica del inyector y en la forma de la tasa de inyección. Para dar respuesta a estos objetivos, se han utilizado técnicas experimentales y computacionales. Se ha llevado a cabo una caracterización dimensional e hidráulica de un inyector Bosch CRI 2.20 actuado mediante solenoide, incluyendo medidas de tasa de inyección en un amplio rango de condiciones de operación, para lo que se ha prestado especial atención al control de la temperatura del combustible. Se ha implementado un modelo 1D del inyector para confirmar y extender las observaciones extra\'idas de los experimentos. El modelo considera variaciones locales de presión y temperatura del combustible gracias a la hipótesis de flujo adiabático, para lo cual también se ha tenido que llevar a cabo una caracterización experimental de las propiedades del combustible a alta presión. Los límites de la validez de esta hipótesis se han analizado cuidadosamente en el estudio. Los resultados muestran una influencia significativa de la temperatura del combustible a la entrada del inyector en la tasa y duración de inyección, atribuida al efecto de la variación de las propiedades del combustible y al hecho de que el inyector permanece en operación balística para la mayoría de sus condiciones de funcionamiento. Los cambios en temperatura del combustible a lo largo de los orificios de control del inyector son capaces de modificar su dinámica considerablemente. Además, si el combustible a la entrada del inyector se encuentra a temperatura ambiente o por encima, se ha observado que la temperatura a la salida de la tobera no varía de manera importante una vez se alcanzan condiciones estacionarias. No obstante, un calentamiento significativo puede tener lugar para temperaturas de entrada típicas de las condiciones de arranque en frío.[CA] El sistema d'injecció és un dels elements que més interés ha despertat en la investigació en el camp dels motors dièsel d'injecció directa, degut al seu paper clau en l'atomització i vaporització del combustible, així com en el procés de mescla, que afecten directament el consum i la generació de soroll i emissions contaminants. Les creixents pressions d'injecció en motors moderns han propiciat la necessitat d'estudiar fenòmens com la cavitació, flux compressible o l'efecte dels canvis de les propietats del combustible al llarg del procés, la importància relativa dels quals era menor en les primeres etapes del desenvolupament dels motors alternatius. Les menudes dimensions dels conductes de l'injector, les altes velocitats a través dels mateixos i la natura transitòria del procés dificulten l'observació directa en estes qüestions. Per això, les ferramentes computacionals han proporcionat una ajuda inestimable en el camp. L'objectiu de la present tesi és analitzar la influència dels efectes tèrmics en el funcionament d'un injector dièsel. Per a tal fi, es deu estimar la variació de la temperatura del combustible al llarg de les restriccions internes de l'injector. La influència d'estos canvis en les propietats termofísiques del combustible més relevants en el sistema d'injecció també ha de ser avaluada, degut al seu impacte en la dinàmica de l'injector i en la forma de la tasa d'injecció. Per tal de donar resposta a estos objectius, s'han utilitzat tècniques experimentals i computacionals. S'ha dut a terme una caracterització dimensional i hidràulica d'un injector Bosch CRI 2.20 actuat mitjançant solenoide, incloent mesures de tasa d'injecció en un ampli rang de condicions d'operació, per al que s'ha prestat especial atenció al control de la temperatura del combustible. S'ha implementat un model 1D de l'injector per tal de confirmar i estendre les observacions extretes dels experiments. El model considera variacions locals de pressió i temperatura del combustible gràcies a la hipòtesi de flux adiabàtic, per la qual cosa també s'ha hagut de dur a terme una caracterització experimental de les propietats del combustible a alta pressió. Els límits de la validesa d'esta hipòtesi s'han analitzat acuradament en l'estudi. Els resultats mostren una influència significativa de la temperatura del combustible a l'entrada de l'injector en la tasa i duració d'injecció, atribuïda a l'efecte de la variació de les propietats del combustible i al fet que l'injector roman en operació balística per a la majoria de les seues condicions de funcionament. Els canvis en temperatura del combustible al llarg dels orificis de control de l'injector són capaços de modificar la seua dinàmica considerablement. A més, si el combustible a l'entrada de l'injector es troba a temperatura ambient o per damunt, s'ha observat que la temperatura a l'eixida de la tobera no varia de manera important una vegada s'han assolit condicions estacionàries. No obstant això, un escalfament significatiu pot tenir lloc per a temperatures d'entrada típiques de les condicions d'arrancada en fred.Carreres Talens, M. (2016). Thermal effects influence on the Diesel injector performance through a combined 1D modelling and experimental approach [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73066TESI

Macroscopic and microscopic characterization of non-reacting diesel sprays at low and very high injection pressures

En la exploración de nuevos métodos para el mejoramiento de la eficiencia y rendimiento del motor diésel, es claro que un gran esfuerzo debe estar enfocado en el proceso de inyección de combustible. La eficiencia de la combustión y las emisiones, se ven muy afectadas por el proceso de atomización, y se ha demostrado que incrementos en presiones de inyección conllevan un gran potencial para mejorar el ahorro de combustible, producir mejores mezclas de aire y combustible, y por tanto menor generación de emisiones contaminantes. Últimamente, las presiones de inyección han aumentado de alrededor de 50 MPa en los años 70 hasta 250 MPa en los días actuales. Presiones de inyección muy altas (250-300 MPa) o incluso ultra altas (> 300 MPa) vienen siendo materia de investigación con el fin de ser implementadas de manera comercial en un futuro próximo. La estructura y desarrollo del spray diésel pueden ser caracterizados desde un punto de vista microscópico por medio de la medición del tamaño de gotas del spray y sus velocidades. En condiciones no-evaporativas, técnicas como el PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) vienen siendo utilizadas para la obtención de perfiles de diámetros y velocidades de gota con una alta resolución temporal. Desde el punto de vista macroscópico, existen parámetros específicos que permiten caracterizar a un chorro diésel, estos son: la penetración de vapor y líquida junto con el ángulo de apertura del chorro. La penetración líquida es un indicador claro de la capacidad de evaporación del combustible utilizado, mientras que la penetración de vapor, por su parte, es indicativo del proceso de mezcla y la probabilidad de colisión con las paredes de la cámara de combustión; factores claves a la hora de la generación de emisiones contaminantes. En esta tesis se estudia la influencia de presiones bajas, medias y muy altas presiones inyección, sobre un amplio espectro de condiciones y diagnósticos experimentales, y desde el punto de vista macroscópico y microscópico. Se realizaron experimentos para tres diferentes inyectores, 2 solenoides y un piezo eléctrico, este último con la capacidad de alcanzar presiones de inyección cercanas a 270 MPa. Las medidas incluyen una caracterización hidráulica, compuesta por tasa de inyección; una visualización de alta velocidad del chorro líquido isotermo; una visualización de alta velocidad del chorro inerte evaporativo, con captura simultánea de las fases líquida y vapor; y finalmente, una caracterización microscópica por medio de la obtención de distribución de tamaño de gotas y sus velocidades. Con respecto a los ensayos microscópicos, se desarrolló una metodología para el aislamiento y alineación de sprays con un error de medición muy bajo de 0,22°. Se llevaron a cabo mediciones de velocidad de gotas, cuyos resultados mostraron buen ajuste con perfiles teóricos de velocidad. De igual manera, una correlación para el tamaño de gota SMD se obtuvo mostrando un alto nivel de ajuste y siendo representativa para todo el rango de presiones de inyección estudiados. En el caso de la caracterización macroscópica del chorro isotermo, se han detectado variaciones macroscópicas en el desarrollo del chorro con propiedades de gas, inclusive en condiciones de motor comunes. Para estimar estos efectos y otros que las presiones de inyección muy altas tendrían sobre la estructura del chorro, se incentivó la aparición de ondas de choque controlando la velocidad del sonido del ambiente. Se usaron tres gases ambientales (SF6 N2 y CO2) con diferentes velocidades de sonido, promoviendo de esta manera chorros supersónicos en determinados casos. Al comparar ensayos con mismas densidades y diferentes gases ambientales, se encontró que todas las tendencias cercanas al estado transónico (0.8 300 MPa) vénen sent matèria d'investigació a fi de ser implementades de manera comercial en un futur pròxim. L'estructura i desenrotllament de l'esprai dièsel poden ser caracteritzats des d'un punt de vista microscòpic per mitjà del mesurament de la grandària de gotes de l'esprai i les seues velocitats. En condicions no-evaporatives, tècniques com el PDPA (Phase doppler particle analyzer) vénen sent utilitzades per a l'obtenció de perfils de diàmetres i velocitats de gota amb una alta resolució temporal. Des del punt de vista macroscòpic, hi ha paràmetres específics que permeten caracteritzar a un doll dièsel, estos són: la penetració de vapor i la penetració líquida junt amb l'angle d'obertura del doll. La penetració líquida és un indicador clar de la capacitat d'evaporació del combustible utilitzat, mentres que la penetració de vapor, per la seua banda, és indicatiu del procés de mescla i la probabilitat de col·lisió amb les parets de la cambra de combustió; factors claus a l'hora de la generació d'emissions contaminants. En esta tesi s'estudia la influència de pressions d' injecció baixes, mitges i molt altes, sobre un ampli espectre de condicions i diagnòstics experimentals, i des del punt de vista macroscòpic i microscòpic. Es van realitzar experiments per a tres injectors diferents, 2 solenoides i un piezo elèctric, este últim amb la capacitat d'aconseguir pressions d'injecció pròximes a 270 MPa. Les medides inclouen una caracterització hidràulica, composta per taxa d'injecció; una visualització d'alta velocitat del doll líquid isoterm; una visualització d'alta velocitat del doll inert evaporativo, amb captura simultània de les fases líquida i vapor; i finalment, una caracterització microscòpica per mitjà de l'obtenció de distribució de grandària de gotes i les seues velocitats. Respecte als assajos microscòpics, es va desenrotllar una metodologia per a l'aïllament i alineació d'esprais amb un error de mesurament molt davall de 0,22°. Es van dur a terme mesuraments de velocitat de gotes, els resultats van mostrar bon ajust amb perfils teòrics de velocitat. De la mateixa manera, una correlació per a la grandària de gota SMD es va obtindre mostrant un alt nivell d'ajust i sent representativa per a tot el rang de pressions d'injecció estudiats. En el cas de la caracterització macroscòpica del doll isoterm, s'han detectat variacions macroscòpiques en el desenrotllament del doll amb propietats de gas, inclusivament en condicions de motor comú. Per a estimar estos efectes i altres que altes pressions d'injecció tindrien sobre l'estructura del doll, es va incentivar l'aparició d'ones de xoc controlant la velocitat del so de l'ambient. Es van usar tres gasos ambientals (SF6, N2 i CO2) amb diferents velocitats de so, promovent d'esta manera dolls supersònics en determinats casos. Al comparar assajos amb mateixes densitats i diferents gasos ambientals, es va trobar que totes les tendències pròximes a l'estat transónic (0.8 300 MPa) have been the subject of the scientific community in order to be implemented in future injection systems. The structure and development of the diesel spray can be characterized from a microscopic point of view by means of estimation of droplets size and velocities. At non-evaporative conditions, techniques such as PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) are being used to obtain diameters and velocity profiles a with high temporal resolution. From the macroscopic point of view, there are specific parameters that allow characterizing the diesel spray, these are: the liquid and vapor penetration along with the spray angle. The liquid penetration is a clear indicator of the evaporation capacity of the fuel used, whilst the vapor penetration, on the other hand, is an indicative of the mixing process and the probability of collision with the combustion chamber walls; key factors when generating polluting emissions. In this thesis the influence of low and very high injections pressures over the macro and micro characteristics of the diesel spray is studied, over a wide spectrum of conditions and experimental diagnoses. Experiments were carried out for three different injectors, two solenoids and one piezoelectric, the latter with the capacity to reach injection pressures close to 270MPa. The measurements include a hydraulic characterization; a high speed visualization of the liquid spray at isothermal conditions; a high-speed visualization of the evaporative spray, with simultaneous capture of the liquid and vapor phases; and finally, a microscopic characterization. Regarding the microscopic tests, a methodology was developed for the spray isolation and alignment with a very low measurement error of 0.22° Droplets velocity measurements were carried out, the results showed good adjustment with theoretical velocity profiles. Similarly, a correlation for SMD droplet size was obtained showing a high level of adjustment and being representative for the entire range of injection pressures studied. In the case of the macroscopic characterization of the isothermal spray, variations have been detected in the development of the jet with gas properties, even at common engine injection conditions. To estimate these effects and others that very high injection pressures would have on the spray structure, the apparition of shock waves was enhanced by controlling the speed of sound of the environment using three ambient gases with different speed of sound (SF6, N2 and CO2). When comparing tests with same densities and different ambient gases, it was found that all the tendencies near the transonic state (0.8 <M <1.2) had a higher penetration and lower spray angle. With respect to the evaporative jet, for very high injection pressures like 270MPa, the effects of the environmental and injection parameters remained the same with respect to all the macroscopic characteristics.Giraldo Valderrama, JS. (2018). Macroscopic and microscopic characterization of non-reacting diesel sprays at low and very high injection pressures [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113643TESI

A finite element approach for the implementation of magnetostrictive material terfenol-D in automotive CNG fuel injection actuation

Magnetostriction is the deformation that spontaneously occurs in ferromagnetic materials when an external magnetic field is applied. In applications broadly defined for actuation, magnetostrictive material Terfenol-D possesses intrinsic rapid response times while providing small and accurate displacements and high-energy efficiency, which are some of the essential parameters required for fast control of fuel injector valves for decreased engine emissions and lower fuel consumption compared with the traditional solenoid fuel injection system. A prototype CNG fuel injector assembly was designed, which primarily included magnetostrictive material Terfenol-D as the actuator material, 1020 Steel having soft magnetic properties as the injector housing material, AWG copper wire as the coil material and 316 Stainless Steel having non-magnetic properties as the plunger material. A 2D cross-sectional geometry including the injector housing, coil, Terfenol-D shaft, and plunger, was modeled in both Finite Element Method Magnetics (FEMM) and ANSYS for 2D axisymmetric magnetic simulation. The magnetic simulations were performed in order to determine the coil-circuit parameters and the magnetic field strength to achieve the required magnetostrictive strain, and consequently, the injector needle lift. The FEMM magnetic simulations were carried out with four different types of AWG coil wires and four different injector coil thicknesses in order to evaluate the relationship between the different coil types and thicknesses against the achieved strain or injector lift. Eventually, the optimized parameter obtained from FEMM results analysis was verified against ANSYS electromagnetic simulation. Subsequently, a three dimensional replica of the CNG flow conduit was modelled in GAMBIT with the resultant injector lift. The meshed conduit was then simulated in FLUENT using the 3D time independent segregated solver with standard k-ε, realizable k-ε and RSM turbulent models to predict the mass flow rate of CNG to be injected. Eventually, the simulated flow rates were verified against mathematically derived static flow rate required for a standard automotive fuel injector considering standard horsepower, BSFC and injector duty cycle

Effect of Aviation Fuel Type and Fuel Injection Conditions on the Spray Characteristics of Pressure Swirl and Hybrid Air Blast Fuel Injectors

Feddema, Rick T. M.S.M.E., Purdue University, December 2013. Effect of Aviation Fuel Type and Fuel Injection Conditions on the Spray Characteristics of Pressure Swirl and Hybrid Air Blast Fuel Injectors. Major Professor: Dr. Paul E. Sojka, School of Mechanical Engineering Spray performance of pressure swirl and hybrid air blast fuel injectors are central to combustion stability, combustor heat management, and pollutant formation in aviation gas turbine engines. Next generation aviation gas turbine engines will optimize spray atomization characteristics of the fuel injector in order to achieve engine efficiency and emissions requirements. Fuel injector spray atomization performance is affected by the type of fuel injector, fuel liquid properties, fuel injection pressure, fuel injection temperature, and ambient pressure. Performance of pressure swirl atomizer and hybrid air blast nozzle type fuel injectors are compared in this study. Aviation jet fuels, JP-8, Jet A, JP-5, and JP-10 and their effect on fuel injector performance is investigated. Fuel injector set conditions involving fuel injector pressure, fuel temperature and ambient pressure are varied in order to compare each fuel type. One objective of this thesis is to contribute spray patternation measurements to the body of existing drop size data in the literature. Fuel droplet size tends to increase with decreasing fuel injection pressure, decreasing fuel injection temperature and increasing ambient injection pressure. The differences between fuel types at particular set conditions occur due to differences in liquid properties between fuels. Liquid viscosity and surface tension are identified to be fuel-specific properties that affect the drop size of the fuel. An open aspect of current research that this paper addresses is how much the type of aviation jet fuel affects spray atomization characteristics. Conventional aviation fuel specifications are becoming more important with new interest in alternative fuels. Optical patternation data and line of sight laser diffraction data show that there is significant difference between jet fuels. Particularly at low fuel injection pressures (0.345 MPa) and cold temperatures (-40 C), the patternation data shows that the total surface area in the spray at 38.1 mm from the pressure swirl injector for the JP-10 fuel type is one-sixth the amount of the JP-8. Finally, this study compares the atomizer performance of a pressure swirl nozzle to a hybrid air blast nozzle. The total surface area for both the hybrid air blast nozzle and the pressure swirl nozzle show a similar decline in atomization performance at low fuel injection pressures and cold temperatures. However, the optical patternator radial profile data and the line of sight laser diffraction data show that the droplet size and spray distribution data are less affected by injection conditions and fuel type in the hybrid air blast nozzle, than they are in the pressure swirl nozzle. One explanation is that the aerodynamic forces associated with the swirler on the hybrid air blast nozzle control the distribution droplets in the spray. This is in contrast to the pressure swirl nozzle droplet distribution that is controlled by internal geometry and droplet ballistics

Lorentz-force actuated needle-free injection for intratympanic pharmaceutical delivery

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 113-118).Delivery of pharmaceuticals to the inner ear via injection through the tympanic membrane is a method of local drug delivery that provides a non-invasive, outpatient procedure to treat many of the disorders and diseases that plague the inner ear. The real-time controlled linear Lorentz-force actuated jet injector developed in the MIT BioInstrumentation lab was found to be a feasible technology for possible improvement over current intratympanic drug delivery methods. Jet injection holes using a nozzle with a 50 [mu]m orifice were found to be significantly smaller than those made using a standard, 0.31 mm (30-gauge) hypodermic needle. The feasibility of using the jet injector to deliver drug to the inner ear with less tissue damage than seen in standard procedures is shown offering an avenue for improved inner ear drug delivery methods and technology.by Alison Cloutier.S.M

DEVELOPMENT OF A COMPUTATIONAL MODEL FOR A SIMULTANEOUS SIMULATION OF INTERNAL FLOW AND SPRAY BREAK-UP OF THE DIESEL INJECTION PROCESS

El proceso de atomización desde una vena o lámina líquida hasta multitud de gotas dispersas en un medio gaseoso ha sido un fenómeno de interés desde hace varias décadas, especialmente en el campo de los motores de combustión interna alternativos. Multitud de estudios experimentales han sido publicados al respecto, pues una buena mezcla de aire-combustible asegura una evaporación y combustión mucho más eficientes, aumentando la potencia del motor y reduciendo la cantidad de contaminantes emitidos. Con el auge de las técnicas computacionales, muchos modelos han sido desarrollados para estudiar este proceso de atomización y mezcla. Uno de los últimos modelos que han aparecido es el llamado ELSA (Eulerian-Lagrangian Spray Atomization), que utiliza un modelo Euleriano para la parte densa del chorro y cambia a un modelo Lagrangiano cuando la concentración de líquido es suficientemente pequeña, aprovechando de esta manera las ventajas de ambos. En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo puramente Euleriano para estudiar la influencia de la geometría interna de la tobera de inyección en el proceso de atomización y mezcla. Se ha estudiado únicamente el proceso de inyección diésel. Este modelo permite resolver en un único dominio el flujo interno y el externo, evitando así las comunes simplificaciones y limitaciones de la interpolación entre ambos dominios resueltos por separado. Los resultados actuales son prometedores, el modelo predice con un error aceptable la penetración del chorro, el flujo másico y de cantidad de movimiento, los perfiles de velocidad y concentración, así como otros parámetros característicos del chorro.Martí Gómez-Aldaraví, P. (2014). DEVELOPMENT OF A COMPUTATIONAL MODEL FOR A SIMULTANEOUS SIMULATION OF INTERNAL FLOW AND SPRAY BREAK-UP OF THE DIESEL INJECTION PROCESS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/43719TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Measurement and evaluation of near-field spray kinematics for nozzles with asymmetrical inlet geometries

In diesel engines, fuel injection parameters have a commanding effect on mixing andcombustion quality. This research aims to enhance the fundamental knowledge of fuelsprays and their primary break-up. In addition, this research provides statistical data tovalidate simulation models and improve the prediction accuracy in mixing and combustion.This thesis report is based on evaluating the behavior and velocity profiles of near-fieldsprays generated by different inlet geometries under a range of injection pressures. Thestudied nozzles include single-hole nozzles with on-axis and off-axis orifices and a two-holenozzle with angled orifices. We applied time-gated ballistic imaging to capture high-resolutionspray images at the near-field. These high-resolution images provide a clearliquid/gas interface, which enables tracking of the spray structures. Furthermore, thedisplacement of the spray interface in two consecutive images over a specific time frameyields spray kinematics in two dimensions.The results show how velocity measurements can describe spray development and evolution.Asymmetrical inlet geometries significantly affect near-field spray profile and targetingbecause the distribution of velocity magnitude on the two sides of the spray is notsymmetric. In addition to inlet geometry, internal flow characteristics play a significantrole in spray behavior. The outlook for this project mainly consists of the validationand development of simulation models. The obtained results provide an opportunityto correlate the near-field spray to the internal nozzle flow and study the effect ofasymmetrical inlets on the internal flow