Development and Application of Pure Rotational CARS for Reactive Flows

Abstract

The thesis deals with the further development of pure rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (RCARS) for improving the capabilities of gas phase thermometry. The main effort has been to make the technique more robust when employed under a wide range of temperatures and operational conditions.

A primary aim has been to investigate the impact of collisional broadening on N2 RCARS thermometry, especially in an environment in which N2 is perturbed by H2. Since an interaction of this sort is species-specific and temperature-dependent, it plays a very critical role in RCARS thermometry. It was found that in a sequence of implementation, validation and application, thermometric accuracy could be improved by the implementation of N2-H2 line-broadening coefficients. Investigation of these topics involved exploring a novel technique of time-resolved picosecond RCARS for direct measurements of S-branch N2-N2/N2-H2 Raman linewidths.

The N2 and O2 Herman-Wallis factors, used to quantify vibration-rotation interaction and breakdown of the rigid rotor model were also investigated. This correction affects the line-intensities, and also has an impact on RCARS thermometry. Conclusions regarding the sensitivity related to this factor could be achieved by employing different expressions available in the specialized literature.

A theoretical code for N2O concerned with thermometric accuracy in a set of temperature-calibrated cell experiments was developed and was validated. This work expands the list of RCARS molecules previously developed, and points to interesting possibilities such as that of improving the thermometric precision.

The technique was also applied to flame diagnostics. Temperatures were mapped along the centerline of a one-dimensional flame provided on a McKenna burner, this serving as important input data for other related optical techniques. The homogeneity of this flame was investigated for two different operational shielding co-flows, those of N2 and of air. Measurements were also performed in a low-swirl turbulent premixed flame, for validating existing models of large eddy simulations. Probability density functions for a large range of temperatures (300 K to 1700 K) and relative O2 concentrations were provided. The simultaneous measurements of these quantities provided a better understanding than possessed earlier of air entrainment from the surroundings.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Eftersom mer än 80% av världens samlade energianvändning är beroende av förbränning i någon form är vidare kunskap om förbränningsprocessen viktig. Fortsatt effektivisering av förbränningsprocessen är idag högaktuell för uppbyggnad av framtidens mer miljövänliga energisystem och för utvecklingen utnyttjas omfattande diagnostikarbeten. Inom området anses diagnostik med hjälp av laser som det mest lovande. Med detta verktyg kan mätningar göras in situ (på plats) samt beröringsfritt med extraherad data av både hög tids- och rumsupplösning. Den här avhandlingen har bedrivits inom utveckling och tillämpning av en sådan mätteknik (CARS), där särskilt fokus ägnats åt förmågan att mäta precisa temperaturer. Temperatur är central för karakteriseringen av ett förbränningsförlopp och indikerar bland annat hur mycket energi som frigjorts.

CARS är en förkortning för coherent anti-Stokes Raman spectroscopy och är en avancerad lasermätmetod för temperaturer och koncentrationer av system i gasfas. Genom att detektera de hos systemet innefattande molekylernas rotationer (alternativt vibrationer) kan temperaturen erhållas. Hur molekyler vibrerar och roterar är nämligen starkt kopplat till temperaturen. En förenklad beskrivning är att vid höga temperaturer vibrerar och roterar molekyler snabbare än vid låga temperaturer. Tekniken fungerar på så sätt att tre laserstrålar fokuseras samman i en mätpunkt varvid en fjärde genereras om energiskillnaden mellan två av de infallande laserstrålarna sammanfaller med molekylernas interna vibrations- och rotationsfrekvenser. Den fjärde, den så kallade CARS-signalen, leds till en detektor och tas upp i form av ett spektrum. Formen av spektrumet bestäms till största del av statistiskt fördelade rotationsfrekvenser som beror på den makroskopiska temperaturen i gasen. Det experimentella spektrumet jämförs sedan numeriskt med ett bibliotek av teoretiskt beräknade spektrum vid olika temperaturer och den utvärderade temperaturen ges av det teoretiska spektrum som visar bäst överensstämmelse.



Tekniken har använts för att mäta i kemiskt reaktiva flöden. Applicerad inom ett typfall av turbulent förbränning erhölls temperaturer samt relativa N2/O2-koncentrationer för att validera numeriska simuleringsmodeller. Resultaten möjliggör en bättre förståelse av flammors utsläckning samt hur inblandning av luft sker från omgivningen. En temperaturprofil har också uppmätts i en bränslerik förblandad etylen/luft-flamma. Den speciella flamman används bland annat för att studera olika stadier hos den komplexa förbränningsprocessen, men speciellt också för bildandet av sot. Vid applicering i produktgaserna uppvisades en systematisk förbättrad noggrannhet för tekniken, uppnådd via implementering av ny kunskap om hur rotationslinjerna i ett kvävgasspektrum störs av molekylkollisioner från vätgas. Samma förbättring dokumenterades vid temperaturmätningar på bränslesidan av en laminär vätgas-diffusionsflamma. Detta blev möjligt med detektion av första rotations-Raman-linjen från vätgas, för att med denna information om koncentration kunna vikta dess ämnesspecifika störning på kvävgasspektrumet. Temperaturinformation från bränslesidan av laminära diffusionsflammor är viktig för att följa hur bränslet uppvärms innan antändning.



För att uppnå hög noggrannhet har krävts detaljerade studier kring några särskilt kritiska parametrar, vilket är ett viktigt led i teknikutvecklingen.

En sådan parameter är Ramanlinjebredder, som modellerar hur mätprocessen störs av molekylkollisioner. Samarbete har bedrivits med Pierre Joubert och Jeanine Bonamy (Université Franche-Comté, Besançon, Frankrike) kring hur rotationslinjerna i ett kvävgasspektrum påverkas av molekylkollisioner från vätgas. I serien från implementering, via validering till applicering kunde en väsentlig systematiskt förbättring bekräftas med hänsyn taget till detta. Vidare utröntes förmågan att direkt mäta linjebreddskoefficienter med hjälp av ljuspulser som är nedkortade från nanosekunds- till pikosekundsregimen. Det gjordes i samarbete med Christopher J. Kliewer och Thomas B. Settersten vid Sandia National Laboratories i Livermore, USA. Med så korta ljuspulser kan de tre laserstrålarna separeras att isolerat växelverka med molekylerna skilda i tiden. Den experimentella principen baseras på att som funktion av olika tidsförskjutningar mäta en avklingning hos signalen som beror av molekylernas kollisioner. De enskilda rotationslinjernas spektralbredd bestäms sedan genom en transformbegränsad relation till signalens livstid.

Undersökningar har också bedrivits kring spektral känslighet från olika Herman-Wallis faktorer samt deras påverkan på termometrin, utvecklat i ett samarbete med Michele Marrocco (ENEA, Rom, Italien). Dessa faktorer beskriver hur styrkan på spektrallinjerna ändras vid centrifugal deformation av molekylstrukturen. Detta fenomen bör tas till hänsyn inom förbränningstudier vid höga temperaturer som innebär snabba molekylrotationer.

Vidare finns alltid en inneboende strävan att utveckla tekniken. Som ett led i detta ingår att utvidga listan för implementerade molekyler. Inom ramen för avhandlingsarbetet valdes N2O, en treatomig molekyl med linjär asymmetrisk struktur som bland annat är central i atmosfärsforskningen. En teoretisk kod utvecklades och testades genom spektralanpassningar i en serie valideringsmätningar vid olika temperaturer. God överensstämmelse erhölls mellan experimentella och teoretiskt beräknade spektra, och även en hög temperaturnoggrannhet.

• author: Bohlin, Alexis
• supervisor: Per-Erik Bengtsson; Marcus Aldén
• opponent: Dr Danehy, Paul M., NASA Langley Research Center, USA
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Raman linewidths, gas-phase thermometry, combustion diagnostics, laser spectroscopy techniques, coherent anti-Stokes Raman scattering, molecular spectroscopy, Herman-Wallis factor, Fysicumarkivet A:2012:Bohlin
• pages: 208 pages
• defense location: Lecture Hall F, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-06-01 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-323-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 89a2a58a-0cf4-47c8-9ce9-fe45d66d20fc (old id 2536270)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:44:45
• date last changed: 2018-11-21 20:55:20