Advanced

Multi-Dimensional Quantitative Laser-based Diagnostics - Development and Practial Applications

Wellander, Rikard LU (2014) In Lund reports on combustion physics 177.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

De vanligaste anledningarna till att vi eldar idag är att skapa värme, elektricitet eller mekanisk energi (som till exempel i bilar och andra fordon). När man eldar bildas kemikalier och partiklar som är skadliga för hälsa och miljö. För att minimera mängden av dessa skadliga utsläpp och för att optimera mängden energi som man kan utvinna från en viss mängd bränsle, är det viktigt att man förstår vad som händer i flamman. För att skaffa denna förståelse behöver man kunna mäta storheter som temperatur, hastigheten på gasflödena och koncentration av olika kemikalier och partiklar. Informationen från mätningarna kan, förutom att öka förståelsen för hur förbränningen påverkas av olika yttre... (More)
Popular Abstract in Swedish

De vanligaste anledningarna till att vi eldar idag är att skapa värme, elektricitet eller mekanisk energi (som till exempel i bilar och andra fordon). När man eldar bildas kemikalier och partiklar som är skadliga för hälsa och miljö. För att minimera mängden av dessa skadliga utsläpp och för att optimera mängden energi som man kan utvinna från en viss mängd bränsle, är det viktigt att man förstår vad som händer i flamman. För att skaffa denna förståelse behöver man kunna mäta storheter som temperatur, hastigheten på gasflödena och koncentration av olika kemikalier och partiklar. Informationen från mätningarna kan, förutom att öka förståelsen för hur förbränningen påverkas av olika yttre omständigheter, användas för att förbättra noggrannheten i datormodeller utvecklade för att förutsäga förbränningsprocessen. Informationen kan också användas för att lösa tekniska problem som uppstår i specifika förbränningssammanhang.

Det går så klart att samla in information från flamman med hjälp av fysiska mätinstrument, som till exempel termoelement för att mäta temperatur. Problemet med dessa är de i sig påverkar flamman så att de storheter som mäts ändras. Ett termoelement påverkar till exempel gasflödet, kan agera som katalysator för vissa kemiska reaktioner och kyler lokalt gasen i flamman. Den temperatur som mäts blir då annorlunda än vad den varit om inget termoelement stört flamman. Ett vanligt sätt att samla in information från en flamma, utan att påverka den, är att istället fotografera den med en kamera. Som ljuskälla används i regel en kort laserpuls, formad till ett tunt laserark (istället för blixt som används vid vanlig fotografering). Att använda ett laserark som ljuskälla jämfört med att detektera det ljus som naturligt strålar ut från flamman, har flera fördelar. Dels kan laserarket göras så kort att inget hinner hända i flamman under exponeringen. Man får alltså en bild av hur det är under just tidpunkten då laserarket passerar istället för en suddig medelvärdesbild av vad som händer under kamerans exponeringstid (som att fotografera något som rör sig snabbt med eller utan blixt). Dessutom kommer ljuset, som detekteras av kameran, bara från det område som laserarket belyser, alltså en skarp genomskärning istället för ett medelvärde från hela djupet av flamman. Men den största fördelen är nog ändå att man genom att justera färgen på laserljuset kan välja vilken typ av information som bilden kommer innehålla. Många av molekylerna som finns i flamman reagerar bara på vissa specifika färger. Genom att välja ett laserljus med en färg som överensstämmer med den molekyl man är intresserad av får man en signal som innehåller information om fördelningen av detta ämne i genomskärningen av flamman. Man kan även välja att anpassa laserljusets färg för att se hur snabbt molekylerna vibrerar och roterar, och med denna information räkna ut temperaturen i flamman. Vill man veta flödeshastigheterna -- alltså hur snabbt och i vilken riktning gasen rör sig i varje punkt i flamman -- kan man tillsätta små partiklar, belysa dessa med två laserark efter varandra och se hur långt partiklarna flyttat sig under tiden mellan exponeringarna.

Historiskt sett har den utrustning som använts för att fotografera i flammorna (lasrarna och kamerorna) kunnat användas med en uppdateringsfrekvens på ett tiotal bilder per sekund. Under tiden mellan två bilder har det då hunnit hända så mycket att det inte längre går att säga om de är tagna direkt efter varandra eller med längre tid emellan. I den här avhandlingen har en relativt ny typ av laser och kamerautrustning använts, som kan användas med flera tusen exponeringar per sekund. På så sätt kan man studera vad som händer i flamman över tiden och inte bara hur läget är vid en specifik tidpunkt. Lite som att spela in en film istället för att ta stillbilder. Dessutom har en teknik utvecklats där laserarket hastigt skannas fram och tillbaka i flamman. På så sätt kan information från alla tre rumsliga dimensioner samlas in och resultatet blir en 3D-film.

Det finns mycket att göra för att förbättra mätmetoderna utöver att utöka dom till fler dimensioner. För att mätningarna ska ha hög noggrannhet krävs till exempel att man vet hur många fotoner (ljuspartiklar) som befinner sig i laserarket. Fotonernas antal kan dock ändra sig med tiden, då de sprids eller absorberas av partiklarna och molekylerna i mätvolymen. Det spridda ljuset, som normalt skulle registreras av kameran, kan också absorberas eller spridas innan det kommit fram till kameran. Båda de ovan nämnda effekterna ger upphov till att mindre ljus registreras och det finns risk att datan feltolkas. Det finns också en risk att redan spridda fotoner sprids en eller flera gånger till, så kallad multipelspridning. Multipelspridningarna kan ske från positioner som ligger utanför laserarket och därmed ge upphov till en falsk signal. I den här avhandlingen demonstreras en metod som kan kompensera för ovan nämnda fel. För att särskilja det multipelspridda ljuset från det som bara spridits en gång introduceras ett randmönster i laserarket. De fotoner som sprids flera gånger förlorar randstrukturen och kan på matematisk väg särskiljas från de som bara spridits en gång och därmed har randmönstret bevarat. När de multipelspridda fotonerna rensats bort beter sig dämpningen av ljuset i laserarket och den spridda signalen på ett matematiskt förutsägbart sätt. Från den detekterade signalen som kommer från ett visst område i mätvolymen, kan man därmed räkna ut hur mycket ljuset dämpats i detsamma område. Den informationen kan då användas för att räkna ut den faktiska mängden fotoner i den intilliggande mätvolymen och på så sätt kan man undvika felet som dämpningen av signalen annars skulle gett upphov till där.

Mycket av arbetet som rapporteras i avhandlingen har alltså handlat om att utveckla nya mätmetoder. Men det är en sak att en mätmetod fungerar i en öppen mätvolym i en laboratoriemiljö, och en helt annan sak att få det att fungera tillfredsställande i praktiska sammanhang, som i förbränningsmotorer. Avhandlingen behandlar även mätningar gjorda i förbränningsmotorer. Dessa mätningarna och analyserna av dom har lett till: ökad förståelse för hur sot bildas och oxideras i en dieselmotor, hur man kan lösa problemet med att bränslesprayen träffar cylinderväggen vid tidig insprutning av bränsle i små dieselmotorer och hur jetflamman utvecklas och tänder gasen i en gasmotor med förkammartändning. Under dessa mätningar har en rad utmaningar kopplade till mätningar i förbränningsmotorer stötts på och antagits. Ett exempel på en sådan utmaning är de optiska fel som skapas när ljuset bryts i de krökta fönster som sitter i motorn. Optik och mjukvara har utvecklats som kompenserar för dessa fel, som annars hade lett till suddiga och förvrängda bilder. Ett annat exempel är att en diagnostikmetod som inriktar sig på att detektera sot har undersökts med hänseende till hur den påverkas av att användas i tidsupplösta mätningar i en förbränningsmotor.

Sammanfattningsvis har forskningen resulterat i att en diagnostisk metod tagits fram för att öka noggrannheten i mätningar genom att kompensera för dämpningen och multipelspridningen av ljuset i mätvolymen. En mätmetod har demonstrerats som möjliggör tidsupplösta mätningar i 3D. Mätmetoder har anpassats för att kunna mäta i de mer krävande miljöer som skapas inne i förbränningsmotorer. Datan från de sistnämnda mätningarna har analyserats och lett till en ökad förståelse kring vissa processer i diesel- och gasmotorer. (Less)
Abstract
Laser based optical diagnostic methods are routinely used in combustion research. Many of the more common approaches are based on illuminating a cross-section of the sample with a thin laser sheet. For example, by targeting an electronic transition in a molecule, its concentration within the plane illuminated by the laser sheet can be deduced. By probing the relative occurrence of an atom or molecule in different rotational or vibrational states or by probing the Doppler shift in Rayleigh scattering, it is possible to extract the temperature. The flow field can be measured by seeding particles into the measurement volume and following them through multiple exposures. The work reported in the thesis concerns the development, improvement and... (More)
Laser based optical diagnostic methods are routinely used in combustion research. Many of the more common approaches are based on illuminating a cross-section of the sample with a thin laser sheet. For example, by targeting an electronic transition in a molecule, its concentration within the plane illuminated by the laser sheet can be deduced. By probing the relative occurrence of an atom or molecule in different rotational or vibrational states or by probing the Doppler shift in Rayleigh scattering, it is possible to extract the temperature. The flow field can be measured by seeding particles into the measurement volume and following them through multiple exposures. The work reported in the thesis concerns the development, improvement and applications of measurement techniques based on laser sheet illumination.

The aforementioned techniques are most often employed on a single shot basis, providing independent snapshots of two-dimensional (2D) data. In some examples, the measurement techniques are extended to the third spatial dimension, and in recent years, studies employing high repetition rate measurements capable of resolving the dynamics in time have become more frequent. In the thesis, a method for simultaneously extending the measurements to the third spatial dimension and to the time dimension, is presented. A high repetition rate laser and detection system is combined with oscillating mirrors, the laser sheet being scanned back and forth throughout the measurement volume. The deflections from two mirrors operated at different frequencies are combined to obtain equidistant laser sheets in the measurement region. The method is demonstrated on the Mie-scattering from a flow of droplets and is used to probe the planar laser induced fluorescence (PLIF) from the OH in a flame. Post processing methods to calculate concentrations and flame-fronts from large data sets are demonstrated.

Measurements of droplet concentration and size distribution in sprays, based on recording the light scattered from a laser sheet, suffer from uncertainties due to multiple scattering (MS) and attenuation of the illuminating and scattered light. A method is demonstrated here, that takes advantage of the ability to suppress the MS light by means of structured illumination. After MS suppression, the attenuation of the laser and signal light can be compensated for by comparing the transmission through the spray with the side-scattered signal. In the process, the local extinction coefficient is calculated from the Beer-Lambert law.

Laser based optical diagnostic techniques are in general developed for atmospheric flames under ideal laboratory conditions. In the application of the same techniques in more realistic situations, such as internal combustion (IC) engines, the harsh conditions involving vibrations, varying pressure, moving parts, limited optical access and a sooty environment have to be taken into account. Several of the measurement campaigns reported in the thesis were conducted in IC engines. Although the main goals of these campaigns were to answer combustion or engine related questions, time has also been invested in improving and adopting the measurement techniques to the existing conditions. By following the spray propagation in a light duty-diesel engine over time, knowledge was gained regarding how early spray injections should be conducted to avoid wall wetting. From high speed laser induce incandescence (LII) measurements in a heavy-duty Diesel engine, conclusions regarding soot formation and oxidation were drawn. The implementation of LII at high repetition rates in IC engines was investigated here. Challenges associated with attenuation of the laser and signal light were also addressed. Visualization of the flame jet propagation in a large-bore gas engine was made possible by means of fuel tracer LIF. Apart from the combustion related conclusions, it was shown that the image quality could be improved substantially by the use of correction optics. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Sick, Volker, University of Michigan Energy Institute, Michigan Memorial Phoenix Laboratory, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Post injection, Structured illumination, Mie scattering, Dense sprays, Extinction coefficient, Signal attenuation, Laser extinction, Multiple scattering, Scattering measurements, Planar laser induced fluorescence, Time resolved, Imaging through turbulent media, Three-dimensional image acquisition, Diesel particulate filter regeneration, Wall impingent, Biodiesel, LII, Large-bore gas Engine, Pre-chamber ignition, Fysicumarkivet A:2014:Wellander
in
Lund reports on combustion physics
volume
177
pages
82 pages
publisher
Division of Combustion Physics, Department of Physics, Lund University
defense location
Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2015-01-09 09:15
ISSN
1102-8718
language
English
LU publication?
yes
id
d4fceb27-c990-4ea8-9f03-92646e9e64ef (old id 4858050)
date added to LUP
2014-12-12 12:11:05
date last changed
2016-09-19 08:44:46
@phdthesis{d4fceb27-c990-4ea8-9f03-92646e9e64ef,
  abstract     = {Laser based optical diagnostic methods are routinely used in combustion research. Many of the more common approaches are based on illuminating a cross-section of the sample with a thin laser sheet. For example, by targeting an electronic transition in a molecule, its concentration within the plane illuminated by the laser sheet can be deduced. By probing the relative occurrence of an atom or molecule in different rotational or vibrational states or by probing the Doppler shift in Rayleigh scattering, it is possible to extract the temperature. The flow field can be measured by seeding particles into the measurement volume and following them through multiple exposures. The work reported in the thesis concerns the development, improvement and applications of measurement techniques based on laser sheet illumination. <br/><br>
The aforementioned techniques are most often employed on a single shot basis, providing independent snapshots of two-dimensional (2D) data. In some examples, the measurement techniques are extended to the third spatial dimension, and in recent years, studies employing high repetition rate measurements capable of resolving the dynamics in time have become more frequent. In the thesis, a method for simultaneously extending the measurements to the third spatial dimension and to the time dimension, is presented. A high repetition rate laser and detection system is combined with oscillating mirrors, the laser sheet being scanned back and forth throughout the measurement volume. The deflections from two mirrors operated at different frequencies are combined to obtain equidistant laser sheets in the measurement region. The method is demonstrated on the Mie-scattering from a flow of droplets and is used to probe the planar laser induced fluorescence (PLIF) from the OH in a flame. Post processing methods to calculate concentrations and flame-fronts from large data sets are demonstrated.<br/><br>
Measurements of droplet concentration and size distribution in sprays, based on recording the light scattered from a laser sheet, suffer from uncertainties due to multiple scattering (MS) and attenuation of the illuminating and scattered light. A method is demonstrated here, that takes advantage of the ability to suppress the MS light by means of structured illumination. After MS suppression, the attenuation of the laser and signal light can be compensated for by comparing the transmission through the spray with the side-scattered signal. In the process, the local extinction coefficient is calculated from the Beer-Lambert law.<br/><br>
Laser based optical diagnostic techniques are in general developed for atmospheric flames under ideal laboratory conditions. In the application of the same techniques in more realistic situations, such as internal combustion (IC) engines, the harsh conditions involving vibrations, varying pressure, moving parts, limited optical access and a sooty environment have to be taken into account. Several of the measurement campaigns reported in the thesis were conducted in IC engines. Although the main goals of these campaigns were to answer combustion or engine related questions, time has also been invested in improving and adopting the measurement techniques to the existing conditions. By following the spray propagation in a light duty-diesel engine over time, knowledge was gained regarding how early spray injections should be conducted to avoid wall wetting. From high speed laser induce incandescence (LII) measurements in a heavy-duty Diesel engine, conclusions regarding soot formation and oxidation were drawn. The implementation of LII at high repetition rates in IC engines was investigated here. Challenges associated with attenuation of the laser and signal light were also addressed. Visualization of the flame jet propagation in a large-bore gas engine was made possible by means of fuel tracer LIF. Apart from the combustion related conclusions, it was shown that the image quality could be improved substantially by the use of correction optics.},
  author       = {Wellander, Rikard},
  issn         = {1102-8718},
  keyword      = {Post injection,Structured illumination,Mie scattering,Dense sprays,Extinction coefficient,Signal attenuation,Laser extinction,Multiple scattering,Scattering measurements,Planar laser induced fluorescence,Time resolved,Imaging through turbulent media,Three-dimensional image acquisition,Diesel particulate filter regeneration,Wall impingent,Biodiesel,LII,Large-bore gas Engine,Pre-chamber ignition,Fysicumarkivet A:2014:Wellander},
  language     = {eng},
  pages        = {82},
  publisher    = {Division of Combustion Physics, Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund reports on combustion physics},
  title        = {Multi-Dimensional Quantitative Laser-based Diagnostics - Development and Practial Applications},
  volume       = {177},
  year         = {2014},
}