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Strukturanalyse turbulenter Flammen mit Hilfe abbildender laserspektroskopischer Verfahren

Hoffmann, Axel

English Title: Structural analysis of turbulent flames by means of imaging laser-spectroscopic techniques

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PDF, German
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Abstract

Turbulente magere vorgemischte Flammen spielen aufgrund ihres reduzierten Schadstoffausstoßes bei der Energieumwandlung eine bedeutende Rolle. Verbrennungsinstabilitäten bergen jedoch ein erhöhtes Risiko im technischen Einsatz, da z.B. thermoakustische Schwingungen in Gasturbinen zu verstärkter Materialbeanspruchung führen. Dies stellt auch im Bereich der Flugzeugturbinen eine erhebliche Gefahr dar. Numerische Simulationen erlauben, die Prozesse bei der Verbrennung besser zu verstehen, jedoch sind Direkte Numerische Simulationen technischer Flammen mit heutigen Computeranlagen noch nicht möglich. Vereinfachte Verfahren stützen sich daher häufig auf experimentelle Daten, welche helfen, den erforderlichen Rechenaufwand zu reduzieren. Dazu befasst sich diese Arbeit mit der Bestimmung von Spezieskonzentrationsverteilungen und deren Gradienten in turbulenten Flammen mittels abbildender laserinduzierter Fluoreszenz. Es wird eine Methodik beschrieben, die es ermöglicht, Gradienten im dreidimensionalen Raum für Punkte entlang der Schnittlinie zweier sich senkrecht schneidender Messebenen zu bestimmen. Mittels eines KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm wurde der A–X(3,0)-Übergang von OH in einer vorgemischten staukörperstabilisierten Erdgas-Luft-Flamme angeregt und die Fluoreszenz in den zwei Messebenen bei 295 nm mit zwei bildverstärkenden CCD-Kameras detektiert. Simultane 1D-Raman-Messungen ermöglichten, die Daten entlang der Schnittlinie mit simultanen Temperatur und Majoritätenspezieskonzentrationen zu vergleichen. Aus den OH-Konzentrationsverteilungen wurden Konzentrationsgradienten im dreidimensionalen Raum berechnet und bezüglich ihrer Korrelation zur lokalen Konzentration untersucht. Solche Korrelationen können zur Vereinfachung von Simulationsansätzen und zu deren Validierung beitragen. Es wurde auch ein Vergleich des realen Gradienten mit seiner Projektion auf jede der Messebenen durchgeführt, da der Betrag durch die Projektion auf die Messebene vom Betrag des realen Gradienten abweicht. In einem zweiten Experiment wurden Messungen in einem einzelnen Modellbrenner einer stationären Gasturbine unter turbinennahen Betriebsbedingungen durchgeführt. In einer nicht-vorgemischten und einer vorgemischten Erdgas-Luft-Flamme mit und ohne Pilotierung wurde mittels eines XeCl-Excimerlasers bei 308 nm der A-X(0,0)-Übergang von OH angeregt. Die Detektion in einer Messebene entlang der Brennerachse erfolgte resonant bei 308 nm mit Hilfe einer bildverstärkenden CCD-Kamera. Anhand des steilsten Gradienten wurde aus den zweidimensionalen Konzentrationsverteilungen die Flammenfront bestimmt. Die statistische Auswertung der Flammenfronten erlaubte einen Vergleich der Charakteristika der untersuchten Flammen. Ein Vergleich mit der Simulation ergab gute Übereinstimmungen. Neben den stationären Flammen wurden auch zwei Betriebsbedingungen untersucht, bei denen Verbrennungsinstabilitäten auftraten. Kraftstoffschwankungen aufgrund von Strömungsfluktuationen führen zu Oszillationen der Verbrennung, die sich mit Geschwindigkeitsfluktuationen in der Brennkammer zu starken thermoakustischen Schwingungen verstärken können und das System mechanisch belasten. Ein besseres Verständnis der Wirkketten bei der Entstehung dieser Fluktuationen ist daher von grundlegender technischer und theoretischer Bedeutung.

Translation of abstract (English)

Turbulent lean premixed flames play an important role in power plants due to their reduced exhaust emission. However, combustion instabilities hold an increased risk in technical application, as e.g. thermo acoustic oscillations, which have been found in gas turbines, induce increased material stress. This is also a considerable risk concerning flight turbines. Numerical simulations allow a better understanding of combustion processes, however, Direct Numerical Simulation of technical flames is not jet possible with up-to-date computer systems. Thus, simplified models often base on experimental data, which help to reduce the necessary calculation effort. For this reason this thesis deals with the measurement of speciesconcentration distributions and their gradients in turbulent flames by means of laserinduced fluorescence imaging measurements. A methodology is described to measure concentration gradients along the intersection of two perpendicularly crossed detection planes. A KrF excimer laser with an emission wavelength of 248 nm was used to excite the A–X(3,0) transition of OH in a premixed bluff body-stabilized flame. The fluorescence from the two measurement planes was detected via two intensified CCD-cameras. Simultaneous 1D-Raman measurements allowed comparing the data within the intersection line to simultaneously detected temperature and majority species concentrations. From the OH concentration distributions concentration gradients were calculated and analyzed in terms of their correlation to the local concentration. These correlations can contribute to the improvement of simulation approaches and their validation. Also a comparison was drawn between the gradients measured in the three-dimensional space relative to the projections that are detected on either of the observed planes, as the absolute value of the projection on the measuring plane differs from the real gradient. In a second experiment measurements were carried out in a single model burner of a stationary gas turbine under turbine-like conditions. In a non-premixed and premixed natural gas/air flame with and without piloting the A–X(0,0) transition of OH was excited with the emission of a XeCl excimer laser at 308 nm. The detection was carried out resonantly at 308 nm in a plane along the burner axis with an intensified CCD camera. By calculating the steepest gradient in the two-dimensional concentration distribution the location of the flame front was detected. The statistical analysis of the detected flame fronts allows a comparison of the characteristics of the flames under study. A comparison with simulated results showed good agreements. In addition to the stationary flames two additional instationary operating conditions were investigated under which combustion instabilities occurred. Fuel inhomogeneities caused by fluctuations of the air flow initiated combustion oscillations. In combination with velocity fluctuations in the burner chamber strong thermo-acoustic vibrations can occur and lead to strong mechanical stress of the system. Thus, a better understanding of the interactions in the formation of these fluctuations is of basic technical and theoretical significance.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolfrum, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 7. July 2006
Date Deposited: 12. Jul 2006 14:52
Date: 2006
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Excimerlaser, Laserinduzierte Fluoreszenz, Hydroxyl, Turbulente Verbrennung, Dreidimensionale Bildverarbeitung, Gradient, Gasturbine, Instation
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