Laser Diagnostics Applied to Lean Premixed Swirling Flames - Simultaneous Flow Field and Scalar Measurements

Abstract

The work reported here includes experimental studies of lean premixed swirling flames. Various laser-based optical diagnostic techniques were used to collect information under different operational conditions. Combined flow- and scalar field measurements were performed at high repetition rates for detailed studies of the turbulent flames.



A large part of the work presented concerns experimental studies of lean turbulent premixed flames stabilized by a low-swirl burner. The unconfined flames that were studied were propagating in a divergent flow field and interacted with flow structures in the shear layers surrounding them. Particle Image Velocimetry (PIV) and stereo-PIV were employed for velocity measurements in a given plane. Volumetric Velocimetry (3D PIV) was performed in order to assess the full 3D characteristics of the flow field. Flame-front visualization and fuel distribution measurements were obtained by use of Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). PLIF of OH radicals, created in regions where high temperature reactions occurred, were used to determine the position, fluctuation, overall shape and wrinkling of the flame front. Simultaneous measurements, performed at repetition rates of several thousand images per second, of the velocity field and of flame location enabled information concerning the flow strucutres emanating from the nozzle and the flame flow interaction. The results obtained were used for validation of Large Eddy Simulations (LES), carried out by collaborating groups in parallel with the experiments. The influence of the inflow boundary conditions were investigated using both experimental data and LES of the flow through the swirler and nozzle.



An investigation of flames close to flashback was carried out in a burner having a variable degree of swirl and equipped with an transparent nozzle. PIV and high-speed video of the flame luminosity were used to study the transition to flashback when the degree of swirl was increased. The observed flashback velocity was much higher than the estimated burning velocity of the flame and the flashback was attributed a convection directed upstream.



A demonstration of simultaneous measurements of the flow field and the temperature field was also included. Here, thermographic phosphor particles were used both as flow tracers for PIV and as temperature sensitive particles. For the temperature measurements a Nd:YAG laser at 355 nm was used to excite the particles following a heated air flow. The subsequent phosphorescence from two emission lines was collected and an intensity-ratio method was then employed for assessing the gas temperature field.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den värld vi lever i drivs till stora delar av förbränning. Det mesta vi gör kräver energi, elektricitet för matlagning och bensin eller diesel för transporter. Sett över hela världen kommer den största delen av den energi som förbrukas från förbränning. Främst är det fossila bränslen, olja och kol, som används, men en ökande del kommer från förnyelsebara bränslen. Vid förbränning bildas olika miljöfarliga ämnen såsom kväveoxider, svaveloxider, kolmonoxid och oförbrända kolväten. Dessa ämnen kan ge upphov till försurning, smog, och skador på ozonlagret. Vissa ämnen, speciellt koldioxid, bidrar till växthuseffekten som gradvis höjer medeltemperaturen på jorden.



Kväveoxider bildas vid all förbränning i luft vid hög temperatur, oberoende av bränslets kemiska sammansättning. Utsläppen av dessa ämnen kan minskas genom att sänka temperaturen under förbränning. En etablerad metod för att åstadkomma detta är att använda en luft-bränsleblandning med ett stort överskott på luft. Önskvärt är att optimera förbränningsprocessen så att en så låg temperatur som möjligt erhålls, samtidigt som förbränningen hålls stabil. För att studera detta krävs experiment.



I avhandlingen används laserdiagnostik för att studera de kemiska och fysikaliska processer som styr förbränningsprocesser. Laserbaserade mätmetoder stör inte de observerade processerna då inga fysiska mätprober används. Laserljus passerar genom förbränningszonen och mätsignalen samlas in med känsliga kameror. I den mätmetod som främst använts för att karakterisera flödesfält används korta laserpulser som ”fotoblixtar”. Laserljuset passerar optik som skapar ett tunt laserark som lyser upp den del av flödesfältet som ska studeras. Små partiklar, som blandas in i gasflödet, fungerar som flödesmarkörer. För att hastigheten ska kunna bestämmas tas två bilder med ett avpassat tidsavstånd så att partiklarna hinner flytta sig en kort sträcka. Genom att jämföra partikelmönstret i de två efterföljande bilderna kan medelförflyttningen av partiklar inom små områden beräknas. Genom detta kan hastighetsvektorer beräknas och en ögonblicksbild av hela flödesfältet byggas upp. I avhandlingen demonstreras även att man med fyra kameror som avbildar en volym med partiklar, upplysta av laserljus, gör det möjligt att ta fram det tre-dimensionella flödesfält. Detta görs i flera steg; först avbildas partiklarna i volymen från fyra håll, genom informationen i de erhållna bilderna återskapas den avbildade volymen digitalt, sedan kan flyttningen av partiklar inom små områden mellan två efterföljande rekonstruktioner beräknas och hastighetsvektorer presenteras.



För att visualisera flamfronten i de flammor som studerats används också en laserbaserad teknik. Eftersom olika ämnen absorberar olika våglängder kan man välja vilket ämne man vill studera. Ämnet som absorberar laserljusets våglängd exciteras och sänder ut ljus med specifika våglängder som kallad fluorescens. Hydroxylradikaler, OH, bildas i regioner med högtemperaturreaktioner. I de undersökta flammorna kan områden med bränt och obränt separeras genom fördelningen av OH och flamfronten kan definieras av en linje mellan dessa två områden. Genom kombinerade mätningar av flödesfältet och flamfrontens position går det att undersöka hur virvlar som finns i turbulenta flöden påverkar flamfrontens rörelse och karaktär. Speciella laser- och kamera system som kan ta många tusen bilder per sekund krävs för att följa förbränningsförloppet. I Lund har vi haft möjlighet att genomföra sådana tidsupplöst mätningar och skapa filmsekvenser där inverkan av turbulenta virvlar på flamfronters dynamik tydligt kan studeras. Kunskapen om samverkan mellan flödesfält och förbränning är mycket viktigt för att utveckla och förbättra förbränningsapparater för att minska negativ miljö- och klimatpåverkan från förbränning.



Som ett steg att utveckla mätmetoder för mätning av flödesfält samtidigt med skalära storheter genomfördes försök med termografiska fosforer i gasflöden. Dessa fosforer är små temperaturkänsliga partiklar som i de aktuella försöken även fungerade som flödesmarkörer. Försöken visade på goda möjligheter för en fortsatt utvecklingen av tekniken för användning inom förbränningsstudier.



För utveckling av nya brännare används avancerade simuleringsverktyg. Med hjälp av förenklade beskrivningar av de kemiska och fysikaliska processer som sker vid förbränning kan simuleringar allt bättre beräkna förloppet av förbränningsprocesser i industriella brännare. För att detta skall fungera krävs att simuleringar först jämförs mot experimentdata för att kontrollera att modellerna ger rätt resultat. I denna doktorsavhandling har viktiga parametrar för validering av simuleringar samlats in för olika förblandade flammor med hjälp av laserdiagnostik.

• author: Petersson, Per
• supervisor: Marcus Aldén; Sven-Inge Möller
• opponent: Professor Hochgreb, Simone, Engineering Department, University of Cambridge, United Kingdom
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Volumetric Velocimetry, Low-swirl Flames, Premixed Flames, Turbulent Combustion, Particle Image Velocimetry, Laser Diagnostics, A.2014:Petersson, Combustion Diagnostics
• in: Lund Reports on Combustion Physics
• volume: 172
• pages: 198 pages
• defense location: Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-02-21 10:15:00
• ISSN: 1102-8718
• ISBN: 9789174738407
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a6e40c03-f8dd-4295-ab30-cf55998d6fc9 (old id 4253486)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:53:34
• date last changed: 2020-05-08 09:15:15