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An optimized hybrid data reduction strategy in 1D Raman/Rayleigh spectroscopic measurements of turbulent flames

Luciano, Nicola (2020):
An optimized hybrid data reduction strategy in 1D Raman/Rayleigh spectroscopic measurements of turbulent flames.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011432,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: An optimized hybrid data reduction strategy in 1D Raman/Rayleigh spectroscopic measurements of turbulent flames
Language: English
Abstract:

A variety of technical applications in energy conversion are based on turbulent combustion. Despite the advanced contest of operation, (turbulent) combustion science is at a relatively young stage. Detailed investigations of benchmark flames are essential to achieve a better understanding of the physics behind the mentioned processes, as well as to provide reliable database for validating numerical models developed to simulate turbulent combustion problems. Raman/Rayleigh spectroscopy is a highly valuable technique which allows to access simultaneous information on temperature and main chemical species concentration within the flame structures. The data reduction strategy applied with this technique is crucial, in order to extract reliable information from the experimental investigations. In this this thesis, a modified version of the strategy, based on the Hybrid Method by Fuest et al., has been developed and tested using NLP problem solving techniques, including global optimization methods and a genetic algorithm. The proposed strategy allows for a significant reduction of the data processing time, requires less user’s expertise and returns better results in reduced measurements error. The modified routine has been applied to data set provided by an experimental investigation of two turbulent premixed methane/air jet flames belonging to the flamelet regime of turbulent premixed combustion. The data set is composed by multiple scalars, including major species and temperature, simultaneously measured with single-shot 1D Raman/Rayleigh spectroscopy. The results of the measurements are analyzed and discussed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Eine Vielzahl von technischen Anwendungen in der Energiekonversion basiert auf der turbulenten Verbrennung. Dies spielt bei der Auslegung, der Steuerung und der Sicherheit dieser Applikationen eine entscheidende Rolle. Obwohl technische Systeme auf Grundlage turbulenter Verbrennungsprozesse seit langer Zeit eingesetzt werden, ist das Verständnis der turbulenten Verbrennung noch in einem relativ frühen Stadium. Um ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalisch-chemischen Prozesse zu entwickeln, ist die detaillierte experimentelle Untersuchung von generischen Flammen essentiell, die wichtige Eigenschaften technischer Prozesse abbilden. Neben dem erforderlichen Prozessverständnis kann außerdem eine Datenbasis für die Validierung von numerischen Modellen, mit welchen die turbulenten Verbrennungsprozesse bei der Auslegung simuliert werden, bereitgestellt werden. Um insbesondere Informationen über den thermochemischen Zustand turbulenter Verbrennungsprozesse zu erhalten, ist die Raman/Rayleigh-Spektroskopie eine einzigartige Messtechnik, welche lokal die simultane Messung von Temperatur und Hauptspezieskonzentrationen auch innerhalb der Flammenstruktur ermöglicht. Innerhalb der Raman/Rayleigh-Spektroskopie ist eine geeignete Datenreduktionsstrategie essentiell, um die gewünschte Information verlässlich aus den Messdaten zu extrahieren. Die bisher in diesem Kontext von Fuest et al. entwickelte hybride Datenreduktions- und Kalibrationsstrategie folgt einer empirischen Vorgehensweise, die zeitaufwändig ist und in besonderem Maße Expertenwissen voraussetzt. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb eine modifizierte Version der Kalibrationsprozedur vorgestellt. Sie basiert auf Optimierungstechniken für die Lösung von Non Linear Programming Problems (NLP). Die Charakterisierung des Kalibrationssystems zeigt auf, dass die Nutzung von globalen Optimierungstechniken für die Identifizierung einer global optimalen Lösung von besonderer Wichtigkeit ist. Nach einem Vergleich existierender Algorithmen wird ein generischer Algorithmus ausgewählt, der am Besten für die Lösung des NLP Problems geeignet ist. Die Implementierung und die Leistung der modifizierten Routine werden in verschiedenen Testfällen geprüft, um die Eignung für die effektive Identifizierung einer optimalen Lösung des NLP zu verifizieren. Darüber hinaus werden einige Vorteile gegenüber der bisherigen Version vorgestellt. Der intrinsisch automatisierte Charakter der modifizierten Routine verhindert das bisher empirische Vorgehen. Zusätzlich wird der Prozess deutlich beschleunigt und für die Anwendung der Routine wird kein besonderes Expertenwissen benötigt. Die modifizierte Routine wurde genutzt, um eindimensionale Raman/Rayleigh-Einzelschussmessungen von zwei turbulenten vorgemischten Methan/Luft Jet-Flammen, Flamme C (Fl.C) und Flamme D (Fl.D), auszuwerten. Es wurden sechs Ebenen verschiedener Höhen über dem Brenneraustritt untersucht. Flammentopologien wurden anhand der zeitlich gemittelten Flammenposition (engl. Flamebrush) sowie der Analyse der radialen Konzentrationsprofile analysiert. Lokale Flammenstrukturen wurden unter Nutzung der instantanen 1D-Profile untersucht. Im Rahmen einer doppelt-konditionierten Auswertung wurden die Flammenstrukturen mit dem Flamelet-Modell verglichen. Für die Flamme Fl.C. zeigt sich generell eine gute Übereinstimmung, wobei die beobachteten Unterschiede bei einer Auftragung im Zustandsraum auf Einflüsse der präferentiellen Diffusion hindeuten. Diese Beobachtungen werden im Kontext anderer Studien diskutiert. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, dass die Flamme Fl.C. innerhalb des Regime-Diagramms vorgemischter turbulenter Flammen in das Flamelet-Regime eingeordnet werden kann. Die Flamme Fl.D besitzt am Einlass dieselbe Gaszusammensetzung wie Fl.C, aber unterscheidet sich in Folge unterschiedlicher Einströmgeschwindigkeiten durch starke Scherung zwischen den koaxialen Jets. Vorläufige Ergebnisse ausgewählter Messpositionen zeigen, dass die Flamme trotz hoher Scherraten in einem ähnlichen Regime wie Fl.C. brennt. Es wird aufgezeigt, dass die durch die hohe Scherung induzierte Streckung für die Änderung der konditionierten Verteilungen einiger chemischer Spezies verantwortlich ist. Diese Untersuchungen sind jedoch noch nicht abgeschlossen und bedürfen einer weitergehenden Untersuchung.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 08 Apr 2020 07:34
Last Modified: 08 Apr 2020 07:34
DOI: 10.25534/tuprints-00011432
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114327
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian and Continillo, Prof. Dr. Gaetano and Dam, Prof. Dr. Nico J.
Refereed: 12 June 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11432
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