Skip to main content

Lund University Publications

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Infrared Laser-Induced Grating Techniques for Diagnostics in Reactive Flows

Hot, Dina LU (2020)
Abstract
Abstract
The work presented in this thesis is mainly focused on the development and
application of infrared laser-induced grating techniques in order to measure the gas
phase temperature and species concentrations in reactive flows. The two techniques
used for this purpose are laser-induced grating spectroscopy (LIGS) and degenerate
four-wave mixing (DFWM). Their coherent nature allows to perform laser-based
diagnostics in the infrared spectral region where fundamental ro-vibrational
transitions of several combustion-related molecular species can be utilized.

Gas phase temperature measurements has been performed with laser-induced
thermal grating spectroscopy, known as LITGS. The single-shot... (More)
Abstract
The work presented in this thesis is mainly focused on the development and
application of infrared laser-induced grating techniques in order to measure the gas
phase temperature and species concentrations in reactive flows. The two techniques
used for this purpose are laser-induced grating spectroscopy (LIGS) and degenerate
four-wave mixing (DFWM). Their coherent nature allows to perform laser-based
diagnostics in the infrared spectral region where fundamental ro-vibrational
transitions of several combustion-related molecular species can be utilized.

Gas phase temperature measurements has been performed with laser-induced
thermal grating spectroscopy, known as LITGS. The single-shot precision and
accuracy of mid-infrared LITGS was investigated in premixed CH4/H2/air flames at
atmospheric pressure by probing the hot water absorption lines around 3.1 μm,
resulting in a single-shot precision better than 1 % and an accuracy of 2.5 %.
Furthermore, the technique has been applied in sooty premixed atmospheric
C2H4/air flames. Besides the application of mid-IR LITGS, the alignment of the
technique in terms of grating spacing, number of resolved oscillation peaks in the
LITGS signal and its time characteristics has been investigated as well as
misalignment effects. Attention has also been paid to select absorption lines which
results in thermalization and hence are present in a LITGS excitation spectrum. In
addition to LITGS, laser-induced electrostrictive grating spectroscopy (LIEGS) was
investigated for possible application in harsh environments at temperatures up to
700 K. This study was carried out in the spectral band of oxygen at 760 nm and for
two different geometrical alignments of LIEGS/LITGS.

Ammonia (NH3) and hydrogen cyanide (HCN) are two molecular species of
particular interest in the thermochemical conversion of biomass, which have
fundamental or combinational vibrational bands in the mid-IR. Hence, species
concentration measurements were carried out using mid-IR DFWM. A feasibility
study has been performed for application of DFWM for ammonia detection around
2.3 μm. Moreover, DFWM was applied for HCN detection during the
thermochemical conversion of straw pellets, where the HCN release history during
the devolatilization stage was quantified at different flue gas temperatures. (Less)
Abstract (Swedish)
Populärvetenskaplig sammanfattning

En stor del av världens energikällor är baserade på förbränning och kan återfinnas i allt från bilar och båtar som drivs av förbränningsmotorer till gasturbiner och kraftverk som används till elproduktion. Den centrala biten inom förbränning är en kemisk omvandling av bränslet då det reagerar med syre till att bilda de två huvudsakliga produkterna, vatten och koldioxid, samtidigt som en stor mängd värme produceras. Mycket av dagens fokus inom förbränningsforskningen handlar om att dels gradvis fasa ut användningen av fossila bränslen med alternativa bränslen så som biodiesel, alkoholer (ex. metanol och etanol), ammoniak, metaller och biomassa, och dels effektivisera den kemiska omvandlingen av... (More)
Populärvetenskaplig sammanfattning

En stor del av världens energikällor är baserade på förbränning och kan återfinnas i allt från bilar och båtar som drivs av förbränningsmotorer till gasturbiner och kraftverk som används till elproduktion. Den centrala biten inom förbränning är en kemisk omvandling av bränslet då det reagerar med syre till att bilda de två huvudsakliga produkterna, vatten och koldioxid, samtidigt som en stor mängd värme produceras. Mycket av dagens fokus inom förbränningsforskningen handlar om att dels gradvis fasa ut användningen av fossila bränslen med alternativa bränslen så som biodiesel, alkoholer (ex. metanol och etanol), ammoniak, metaller och biomassa, och dels effektivisera den kemiska omvandlingen av befintliga bränslen ur ett hållbart miljömässigt perspektiv. Till det behövs en insikt i vad som sker under en förbränningsprocess.

Koldioxid är en växthusgas som sedan länge är förknippad med förbränning av
kolväten, speciellt från fossila bränslen. Bortsett från koldioxid, bildas och släpps ut
en mängd olika ämnen och föroreningar oavsett vilken typ av bränsle som förbränns.
Att kunna mäta koncentrationen av dessa ämnen och även temperaturen vid olika
tidpunkter under förbränningsprocessen, bidrar det till en ökad förståelse om hur
förbränningen kan göras effektivare med mindre utsläpp.

I denna doktorsavhandling beskrivs utvecklingen och användningen av
laserbaserade mätmetoder som fokuserar på att mäta de två ovannämnda
parametrarna i flammor, nämligen koncentration och temperatur. Fördelen med
laserbaserade mätmetoder framför mätprober och termoelement är att de möjliggör
en beröringsfri mätmetod som inte påverkar flammans flöde, temperatur eller
kemiska reaktioner. Många lasrar avger ljus i korta pulser som vanligtvis är några
nanosekunder långa, vilket är en miljarddels sekund. Det innebär att en
ögonblicksbild kan erhållas eftersom förbränningen inte ändras avsevärt under
denna korta tid som det tar att utföra en mätning.

Det experimentella arbetet som presenteras i avhandlingen har fokuserats på
användningen av så kallade icke-linjära optiska mättekniker där de baseras på
växelverkan mellan tre laserstrålar och med det absorberande ämne som studeras.
Dess fördel är att de kan vara väldigt känsliga då mycket små koncentrationer av ett
ämne kan mätas och att signalen som bildas är en laserstråle som kan riktas bort från
flamman innan den detekteras. Studierna har genomförts i den infraröda delen av
spektrumet där många ämnen har en stark absorption. Några av dem är vätecyanid
och ammoniak som återfinns vid förbränning av biomassa. I arbetet presenteras
temperaturmätningar utförda i flammor som baseras på vattenabsorption. Dessutom
demonstreras en mätmetod som kvantifierar mängden vätecyanid som släpps ut vid
förbränning av biomassa i form av pellets.

En bredare användning och en fortsatt vidareutveckling av laserbaserade
mättekniker är en förutsättning för att fördjupa vår förståelse om vad som sker vid
förbränning. Det är särskilt viktigt för kommande bränslen vars utsläpp ännu inte
har studerats till fullo. Med erhållen kunskap genom mätningar finns det utsikter för
att effektivisera motorer, gasturbiner och kraftverk, och även att minska utsläppen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. Dreier, Thomas, University Duisburg-Essen, Germany.
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Laser diagnostics, infrared, laser-induced grating spectroscopy, degenerate four-wave mixing, flames, temperature, concentration, Fysicumarkivet A:2020:Hot
edition
1
pages
174 pages
publisher
Department of Physics, Lund University
defense location
Lecture hall Rydbergsalen, Fysicum, Professorsgatan 1, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund. Follow online: https://youtu.be/MmXYvVqHA0E
defense date
2020-05-15 9:00:00
ISBN
978-91-7895-474-2
978-91-7895-475-9
language
English
LU publication?
yes
id
c5f76305-4c76-4d3b-b050-04ec124bc411
date added to LUP
2020-04-23 14:05:38
date last changed
2022-04-27 11:45:30
@phdthesis{c5f76305-4c76-4d3b-b050-04ec124bc411,
  abstract     = {{Abstract<br/>The work presented in this thesis is mainly focused on the development and<br/>application of infrared laser-induced grating techniques in order to measure the gas<br/>phase temperature and species concentrations in reactive flows. The two techniques<br/>used for this purpose are laser-induced grating spectroscopy (LIGS) and degenerate<br/>four-wave mixing (DFWM). Their coherent nature allows to perform laser-based<br/>diagnostics in the infrared spectral region where fundamental ro-vibrational<br/>transitions of several combustion-related molecular species can be utilized.<br/><br/>Gas phase temperature measurements has been performed with laser-induced<br/>thermal grating spectroscopy, known as LITGS. The single-shot precision and<br/>accuracy of mid-infrared LITGS was investigated in premixed CH4/H2/air flames at<br/>atmospheric pressure by probing the hot water absorption lines around 3.1 μm,<br/>resulting in a single-shot precision better than 1 % and an accuracy of 2.5 %.<br/>Furthermore, the technique has been applied in sooty premixed atmospheric<br/>C2H4/air flames. Besides the application of mid-IR LITGS, the alignment of the<br/>technique in terms of grating spacing, number of resolved oscillation peaks in the<br/>LITGS signal and its time characteristics has been investigated as well as<br/>misalignment effects. Attention has also been paid to select absorption lines which<br/>results in thermalization and hence are present in a LITGS excitation spectrum. In<br/>addition to LITGS, laser-induced electrostrictive grating spectroscopy (LIEGS) was<br/>investigated for possible application in harsh environments at temperatures up to<br/>700 K. This study was carried out in the spectral band of oxygen at 760 nm and for<br/>two different geometrical alignments of LIEGS/LITGS.<br/><br/>Ammonia (NH3) and hydrogen cyanide (HCN) are two molecular species of<br/>particular interest in the thermochemical conversion of biomass, which have<br/>fundamental or combinational vibrational bands in the mid-IR. Hence, species<br/>concentration measurements were carried out using mid-IR DFWM. A feasibility<br/>study has been performed for application of DFWM for ammonia detection around<br/>2.3 μm. Moreover, DFWM was applied for HCN detection during the<br/>thermochemical conversion of straw pellets, where the HCN release history during<br/>the devolatilization stage was quantified at different flue gas temperatures.}},
  author       = {{Hot, Dina}},
  isbn         = {{978-91-7895-474-2}},
  keywords     = {{Laser diagnostics; infrared; laser-induced grating spectroscopy; degenerate four-wave mixing; flames; temperature; concentration; Fysicumarkivet A:2020:Hot}},
  language     = {{eng}},
  month        = {{04}},
  publisher    = {{Department of Physics, Lund University}},
  school       = {{Lund University}},
  title        = {{Infrared Laser-Induced Grating Techniques for Diagnostics in Reactive Flows}},
  url          = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/78693156/Thesis_DH.pdf}},
  year         = {{2020}},
}