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Reaction Kinetics Modeling of OH*, CH*, and C2* Chemiluminescence

Kathrotia, Trupti

German Title: Reaktionskinetik Modellierung von OH*, CH* und C2* Chemilumineszenz

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Abstract

In the combustion processes, spontaneous emission of chemiluminescence species responsible for ultra-violet and visible light is in abundance. Due to its natural occurrence, it offers an inexpensive diagnostic tool for flames and other combustion processes. It is non-intrusive in nature and gives the facility to avoid expensive laser instrumentation. In hydrocarbon oxidation most common electronically excited species are OH*, CH*, C2*, and CO2*, where * represents the electronically excited state of a given radical or molecule. In the early 1970s chemiluminescence has been identified as a marker for heat release, reaction zone, and equivalence ratio, thereby providing a relatively easy diagnostics alternative for online measurement of these features in practical combustion applications. However, the quantitative relationship between chemiluminescence, heat release, and equivalence ratio is mostly unknown except for a few correlations available in literature over small range of conditions. Therefore a reaction kinetic model predicting these species is necessary for the fundamental understanding of the chemiluminescence. This mechanism then can be provided for predicting excited species in simulations of various combustion devices. A detailed reaction mechanism of chemiluminescence is not well studied. Therefore, the objective of this work is to develop a reaction mechanism of chemiluminescent species which can predict their concentrations in shock-tube and one-dimensional laminar flame experiments. The mechanism developed in this thesis is validated against various experimental conditions in shock-tube experiments where it reproduces the ignition delay time very well. In addition, the species profiles which provide a more stringent test on the mechanism validation are calculated to reproduce the measured excited species concentrations in laminar premixed and non-premixed flames. The comparison proves accuracy of the mechanism. The mechanism presented provides therefore a first step to quantitative understanding of the excited species and can be further used in the simulation of practical combustion systems.

Translation of abstract (German)

In Verbrennungsprozessen, ist Chemilumineszenz verantwortlich für einen großen Teil des ultravioletten und sichtbaren Lichts. Aufgrund ihres natürlichen Auftretens, bietet die spektroskopische Untersuchung der Strahlung ein kostengünstiges Diagnose Verfahren für Flammen und andere Verbrennungsprozesse: Das Messverfahren ist berührungslos, wodurch eine Beeinflussung der Flamme durch die Messmethode vermieden wird. Darüber hinaus erfordert die messtechnische Erfassung der Chemilumineszenz keine teure Instrumentierung wie etwa im Falle laserdiagnostischer Messmethoden. In der Kohlenwasserstoffoxidation sind die häufigsten, elektronisch angeregten Spezies OH*, CH*, C2* und CO2*, wobei * den elektronisch angeregten Zustand eines bestimmten Radikals oder eines Moleküles bezeichnet. In den frühen 1970er Jahren wurde die Chemilumineszenz als Marker für Wärmefreisetzung, Reaktionszone und Äquivalenzverhältnis identifiziert, wodurch heute ein relativ einfaches Messverfahren zur Online-Messung dieser Größen in praktischen Verbrennungsprozessen gegeben ist. Allerdings ist die quantitative Beziehung zwischen Chemilumineszenz,Wärmefreisetzung und Äquivalenzverhältnis bis auf einige Angaben aus der Literatur, die einen begrenzten Gültigkeitsbereich haben, unbekannt. Die Voraussetzung für die vollständige, quantitative Beschreibung ist das Verständnis der reaktionskinetischen Vorgänge, die zur Bildung angeregter Spezies führen. Mechanismen, die in der Lage sind diese Vorgänge darzustellen, können in Simulationen von verbrennungstechnischen Apparaten eingesetzt werden. Jedoch ist der reaktionskinetische Mechanismus, der Bildung und Verbrauch dieser angeregten Spezies darstellen kann, nicht vollständig verstanden. Daher ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Reaktionsmechanismus, der die zu erwartenden Mengen angeregter Spezies vorherzusagen vermag. Der in dieser Arbeit dargestellte Mechanismus wird zunächst unter unterschiedlichen Bedingungen mit experimentellen Daten aus Stoßwellenrohrversuchen validiert. Es wird eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Zündverzugszeiten erzielt. Darüber hinaus werden eindimensionale vorgemischte und nichtvorgemischte laminare Flammen mit Hilfe dieses Mechanismus berechnet. Der Vergleich gemessener und berechnter räumlicher Konzentrationsprofile in diesen Flammen stellt ein sehr strenges Kriterium für die Validierung des Mechanismus dar. Es zeigt sich beim Vergleich zwischen Rechnung und Versuch, dass der Mechanismus in der Lage ist angeregte Spezies mit hoher Genauigkeit unter Flammenbedingungen vorherzusagen. Somit stellt der Mechanismus einen ersten Schritt für die quantitative Berechnung angeregter Spezies dar und kann in der Simulation realer Verbrennungssysteme eingesetzt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Riedel, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 19 May 2011
Date Deposited: 06 Jun 2011 08:29
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Reaktionskinetik, Modellierung, Chemilumineszenz, Verbrennung
Uncontrolled Keywords: ReaktionsmechanismenReaction Mechanism
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