Development of fluorescence-based techniques for quantitative measurements of combustion species

Abstract

The work presented in this thesis covers how laser-induced fluorescence (LIF) and photofragmentation laser-induced fluorescence (PF-LIF) can be used to determine quantitative species concentrations in different combustion environments. To attain species concentrations with LIF it is of vital importance to investigate the influence of collisional quenching on the fluorescence signal strength, which can be done by measuring the fluorescence lifetime. A method for simultaneous measurements of fluorescence lifetimes of two species present along a line is described and discussed. The experimental setup is based on picosecond laser pulses from a dual optical parametric generator/amplifier (OPG/OPA) system tuned to excite two different species, whose fluorescence signals are detected with a streak camera. The concept is demonstrated for fluorescence lifetime measurements of CO and OH in laminar methane/air flames on a Bunsen-type burner. The measured one-dimensional lifetime profiles generally agree well with lifetimes calculated from quenching cross sections found in the literature and quencher concentrations predicted by the GRI 3.0 chemical mechanism. For OH there is a systematic deviation of ~30% between calculated and experimental lifetimes in the product zone. It is found that this discrepancy is mainly due to the adiabatic assumption regarding the flame and uncertainty in H2O quenching cross section.

The second technique, i.e. PF-LIF, is used to study H2O2 and HO2, which both are molecules lacking accessible bound excited states. Here, a pump laser pulse of 266-nm wavelength dissociates the molecules into OH fragments, which after a short time delay (nanosecond time scale), are probed with LIF using a second laser pulse tuned to an OH absorption line. PF-LIF is for the first time used for two-dimensional imaging of HO2 in laminar flames and H2O2 in an homogenous charged compression (HCCI) engine. In methane/air flames on a Bunsen-type burner, relative species concentrations of HO2, H2O2 and CH3O2 are achieved via comparison of experimental signal profiles with simulated concentrations predicted by the Konnov detailed C/H/N/O reaction mechanism. An interfering OH signal contribution is observed in the product zone and found to originate from hot CO2. In the HCCI experiments, quantitative H2O2 concentrations at different piston positions are attained via an on-line calibration procedure. In terms of mass fraction levels, the crank-angle resolved experimental data agree well with profiles resulting from simulations using the software Digital Analysis of Reaction System (DARS), while shapes and profiles deviate slightly, which mainly is due to signal interference from HO2.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Eld har fascinerat människan i alla tider. Att sitta och värma sig vid en lägereld, sjunga sånger eller bara titta på hur elden rör sig är något de flesta har upplevt. Hur många har egentligen funderat på var värmen kommer ifrån, hur den gula färgen uppstår eller vad eld egentligen består av? Några av frågorna finns det nu svar på, men fortfarande finns det mycket att utforska.

De flesta håller nog med om att förbränning är något människan har sysslat med sedan urminnes tider, till exempel för matlagning och uppvärmning, och snart borde tillhöra historien. Så är dock ingalunda fallet. Idag kommer mer parten av all energiproduktion i världen från förbränning av fossila bränslen. Det verkar därmed troligt att vi kommer fortsätta utnyttja förbränning ett bra tag framöver. Det är därför viktigt att förstå olika förbränningsprocesser, för att minska bränsleförbrukningen, partikel-utsläppen och minimera miljöpåverkan. Förbränning är väldigt komplicerat och innefattar i allmänhet hundratals reaktioner mellan tusentals olika ämnen. De kemiska reaktionerna sker mycket snabbt och är starkt beroende av tryck, temperatur och koncentrationen av ämnen i den närliggande miljön.

Laser-baserade tekniker erbjuder möjligheten att studera kaotiska (turbulenta) flöden, kemiska och fysikaliska reaktioner, men även mätningar av temperaturer och ämneskoncentrationer. Laserljus besitter egenskaper som gör det möjligt att mäta på långa avstånd och i miljöer där det är svårt att komma åt sitt mätobjekt. En annan viktig fördel är att när laserljuset passerar genom till exempel en eld störs inte de kemiska reaktionerna som kontinuerligt äger rum. Mätningarna blir därmed beröringsfria samtidigt som man mäter i objektets naturliga miljö. Slutligen, lasern ger möjligheten att samla in detaljerad information om hur ämneskoncentrationer är fördelade i två dimensioner och hur de ändrar sig i tiden.

Den vanligaste tekniken som används inom förbränning heter laser-inducerad fluorescens (LIF). Tekniken bygger på att man lyser laserljus med en specifik färg på en specifik molekyl som man är intresserad av. Molekylen kommer att absorbera ljuset och därmed energin, vilket leder till att molekylen hamnar i ett högre energitillstånd. Detta kan liknas vid att man får energi så att man kan ta sig upp ett steg i en trappa. Varje molekyl som lasern lyft upp ett trappsteg har möjligheten att sända ut en fluorescensfoton (ljus) när den faller tillbaka till det lägsta trappsteget (grundtillståndet). Olika molekyler har olika avstånd mellan trappstegen, vilket innebär att man med olika energi på ljuset, dvs. olika färg, kan nå till olika trappsteg och därmed studera enskilda molekyler. I den bästa av världar betyder det att man genom att mäta antalet fluorescensfotoner kan bestämma antalet molekyler. Tyvärr är verkligheten en annan. Mer än 99 procent (typiskt vid normalt tryck) av molekylerna på det övre trappsteget sänder inte ut ljus. Istället förlorar molekylerna sin överskottsenergi genom kollisioner med sina grannar. Intensiteten på fluorescensljuset ger därför inte information om det exakta antalet molekyler. Istället måste man ta reda på hur kollisionerna påverkar fluorescensljuset. I detta arbete har extremt korta laserpulser (10-12 sekunder långa) använts för att studera hur fluorescensljuset hos hydroxylradikalen (OH) och kolmonoxid (CO) förändras i tiden och därmed kan inverkan av molekylkollisionerna bestämmas hos de båda molekylerna samtidigt. Om det är mycket kollisioner kommer fluorescensljuset vara kortlivat, medan det blir långlivat om kollisionerna är få. När ett mått på kollisionernas inverkan är bestämt kan mätdata korrigeras och man är ett stort steg närmare målet att bestämma en absolut ämneskoncentration.

Laser-inducerad fluorescens bygger på att trappstegen hos molekylerna består av hela trappsteg. Det finns molekyler där de högre energinivåerna är som rutschkanor istället för trappsteg. Detta leder till att när man skickar in laserljus på molekylen så kommer den ”glida av” trappsteget, vilket innebär att molekylen kommer sönderdelas (dissociera) istället för att skicka ut ljus. I detta arbete beskrivs hur man kan studera dessa molekyler med en teknik som heter fotofragmentation laser-inducerad fluorescens. Tekniken har använts för att mäta ämneskoncentrationen av väteperoxid (H2O2) och hydroperoxyl (HO2) i verkliga förbränningssituationer, t.ex. i en motor och i en flamma.

Möjligheten att mäta ämneskoncentrationer är en viktig pusselbit för förståelsen av moderna förbränningsprocesser. En ökad kunskap är avgörande för till exempel utvecklingen av effektivare och miljövänligare motorkoncept. Målet är att ytterligare minska bränsleförbrukningen och utsläppen av farliga ämnen och partiklar i vår luft. För en bättre miljö, inte bara för oss utan även för framtida generationer.

• author: Jonsson, Malin
• supervisor: Joakim Bood
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 48342542-e3e3-45f5-bbfa-caf3e604f717 (old id 4017733)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:19:51
• date last changed: 2018-11-21 21:13:17