Laser-Induced Incandescence for Soot Diagnostics: Theoretical Investigation and Experimental Development

Abstract

Laser-induced incandescence, LII, is a laser-diagnostic technique that can be used to measure the volume fraction and the sizes of soot particles suspended in a gas, such as within a combustion process or in its exhausts. The technique is based on the facts that the time-decay of the radiation from laser-heated soot particles is directly related to the particle size in the probed volume, and that the time-integrated radiation is related to the soot volume fraction.



In the present work, the properties of LII were investigated, such as its dependence on different parameters, how it can be used to calculate soot properties and how it relates to and can be combined with other techniques. Both theoretical and experimental studies were carried out. An LII model was used for the theoretical work and its predictions under various conditions were investigated. The studies addressed different questions with regard to the sensitivity of LII to various parameters. Simulations were made to determine the best choices for the laser system settings when measuring the soot volume fraction under different conditions. This resulted in general suggestions for what practices are best under various conditions. It was also found that if the two modes of a bimodal particle size distribution are of about the same magnitude the smaller mode has no significant effect on the LII particle size evaluated. Studies of soot aggregates consisting of ramified clusters of spherical primary particles were carried out using numerically constructed aggregates, together with a Monte Carlo algorithm for calculating heat conduction. The effect of different degrees of bridging between the primary particles on primary particle size as evaluated with use of LII was examined, and found to be noticeable but relatively small.



A laser system was designed for use in the experimental studies and evaluation routines that use our LII model were designed and implemented, to be able to evaluate particle sizes from experimental LII signals. The experimental setup was designed so as to possess properties suitable for obtaining well-controlled LII particle size measurements. That setup was employed, with slight variations, for investigating the properties of LII. It was also applied in different laboratory soot sources for measurement of particle sizes and of soot volume fraction.



The same setup was used for studying the effects of the beam profile, which was found to have only a marginal effect on the evaluated size, other uncertain parameters involved in the LII technique being of greater importance in this respect. Two collaborative projects were also carried out for investigating how LII could be used for determining particle sizes both of cold soot aggregates obtained from a flame-based soot generator and of industrial carbon black samples. With use of the soot generator it was investigated, when the primary particle distributions were similar, if the differing decay rates of the LII signals could be explained by the differing degrees of aggregation. This could be an effect of the increase in shielding between the primary particles with an increase in aggregate size, as predicted by theory. The LII sizes as determined for the carbon black samples were closely correlated with the equivalent particle sizes as determined by industrial surface-area analysis of the particles.



The properties of a flat ethylene/air flame on a McKenna burner were also investigated, as a function both of height and of radial position. The absorption function for soot was found to increase with an increase in height from 6 to 14 mm above the burner, due probably to the changes that occurred in soot composition from nascent soot to more mature soot. In the central part of the flame, at a height of 10 mm above the burner, the temperatures and the soot particle sizes were found to be nearly constant.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mer än 75 % av energianvändningen i världen kommer idag från förbränning av fossila bränslen, biobränslen och avfall. Trots att alternativa energikällor är på framfart kommer förbränning stå för den största andelen av världens energianvändning även de kommande decennierna. Tyvärr medför förbränning flera negativa konsekvenser, såsom ökad koldioxidhalt i atmosfären och utsläpp av olika slags hälsofarliga mikroskopiska partiklar. Därför är det viktigt utveckla metoder för att rena utsläppen och förbättra effektiviteten i de förbränningsprocesser som används.



Sotpartiklar bildas vid förbränning då det finns ett tillräckligt stort överskott på bränsle i förhållande till mängden syre. I vissa fall förbränns dessa partiklar senare i samma förbränningsprocess, och i andra följer partiklarna med avgaserna ut i atmosfären. Ett problem med det senare är att cancerogena molekyler sitter på sotpartiklarnas ytor. Om man andas in sotpartiklarna så kan de följa med luftströmmen ner i lungorna och de minsta partiklarna kan därifrån ta sig vidare in i kroppen. När sotpartiklarna släpps ut i atmosfären påverkar de dessutom jordens strålningsbalans och därmed klimatet, genom att de mycket effektivt absorberar solljus. Det är även intressant att veta var och när sot bildas i själva förbränningsprocessen. Eftersom motorer, gasturbiner, värmekraftverk och andra apparater baserade på förbränning redan har utvecklats under mer än hundra år så är avancerade verktyg och kunskap om hur förbränningen sker till stor hjälp för att processerna ska kunna förbättras ytterligare. Sotpartiklarna är en del i den komplicerade förbränningsprocessen och påverkar hur effektiv till exempel en motor är och vilka utsläpp som sker. I alla dessa fall är det viktigt att ha kunskap om sotpartiklarnas egenskaper för att kunna förstå och beräkna vilken inverkan de har i olika miljöer.



I det dagliga livet kan vi se sotpartiklar till exempel när vi tänder ett stearinljus eller vid en lägereld. Det gulorangea ljuset och värmen kommer från de glödheta mikroskopiska sotpartiklarna. Vi kan inte se de enskilda partiklarna eftersom de är mycket små, omkring 1000 gånger mindre än tjockleken av ett hårstrå. Anledningen till att sotpartiklarna lyser och utstrålar så mycket värme är att de har en så hög temperatur, ca 1000--1500 °C. Vid rumstemperatur är sotpartiklarna däremot svarta. Det kan vi se om vi fångar in sotpartiklar på ett metallföremål genom att sticka in det en kort tid i flamman.



En laser kan användas för att mäta på sotpartiklarna direkt i förbränningsprocessen. Laserljus i mycket korta pulser sänds in i förbränningsgasen och hettar upp sotpartiklarna så att de blir mycket varmare än omgivningen, ofta över 3000 °C. Då lyser de mycket starkare än de omgivande partiklarna som inte träffats av laserpulsen. Med hjälp av noggranna detektorer eller kameror kan ljuset, eller signalen, från dessa sotpartiklar mätas och användas för att ta fram var sotpartiklarna fanns, men även koncentrationer och partikelstorlekar. För att räkna ut dessa värden från signalen så behövs en avancerad fysikalisk datormodell av mätprocessen. I allmänhet är det dock en bra uppskattning att en högre koncentration av partiklar leder till en starkare signal och att mindre partiklar ger en signal som avtar snabbare. De upphettade sotpartiklarna svalnar av på mindre än 0,000001 sekund så avancerad utrustning krävs för att kunna mäta signalen under denna tid. Metoden som just beskrivits kallas laserinducerad inkandescens, LII, och är en av de mest avancerade metoderna för att beröringsfritt mäta egenskaper hos sotpartiklar, dvs mäta utan att föra in något instrument i gasen och därmed störa förbränningsprocessen. LII kan även användas för att mäta sotkoncentrationer och partikelstorlekar i avgaser.



I denna avhandling har mättekniken LII undersökts och utvecklats och även använts för att undersöka sotpartiklarna i olika laboratorieflammor. Utvecklingen har skett genom att använda avancerade lasrar med noggranna detektionssystem, tillsammans med stabila laboratorieflammor. LII-signalerna har sedan undersökts med en datormodell av mätningen för att ta reda på hur LII påverkas av förändringar i olika parametervärden. En stor del av avhandlingen har också ägnats åt att undersöka hur LII påverkas av aggregerade sotpartiklar. Aggregering sker genom att mindre, sfäriska sotpartiklar slår sig samman och bildar stora, förgrenade kluster. Varje kluster har en slumpmässig form och i varje liten volym i en flamma finns ofta ett enormt antal kluster med varierande storlek. Det är en utmaning att kunna utgå från ljuset som detekteras då LII används och dra slutsatser om sotaggregatens egenskaper. I denna avhandling har sotaggregat konstruerats numeriskt i en dator och dess egenskaper med avseende på LII har undersökts genom att simulera de fysikaliska processerna hos mätningen. Denna avhandling bidrar med kunskap som kan användas för att vidareutveckla LII för att mäta på aggregerade sotpartiklar.

• author: Johnsson, Jonathan
• supervisor: Per-Erik Bengtsson
• opponent: Dr. Thomson, Kevin, National Research Council of Canada, Measurement Science and Standards, Ottawa, Canada
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: premixed flat flames, fractal soot aggregates, laser-induced incandescence, soot, soot optical properties, soot absorption function, laser diagnostics, Fysicumarkivet A:2012:Johnsson
• pages: 236 pages
• defense location: Rydbergsalen (Lecture hall B), Department of Physics, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-11-09 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-397-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7a7d4576-f865-4384-acb3-6100cab3200c (old id 3128606)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:40:49
• date last changed: 2018-11-21 20:54:51