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Experimentelle Untersuchung turbulenter regimeübergreifender Flammen

Butz, David (2020):
Experimentelle Untersuchung turbulenter regimeübergreifender Flammen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014249,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Experimentelle Untersuchung turbulenter regimeübergreifender Flammen
Language: German
Abstract:

Gegenstand dieser Arbeit ist die detaillierte lasermesstechnische Untersuchung einer Serie von turbulenten regimeübergreifenden Flammen. Derartige Flammenkonfigurationen sind geprägt von Bereichen, in denen sich vorgemischte und nicht-vorgemischte Flammenzonen in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander befinden, miteinander interagieren und unterschiedlich stark zur Brennstoffumsetzung und Wärmefreisetzung beitragen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Brenner entwickelt, der sich gegenüber den aus der Literatur bekannten Laborbrenner-Konfigurationen durch eine verbesserte optische Zugänglichkeit und besser definierte und charakterisierbare Randbedingungen auszeichnet. Eine Serie von auf diesem neuartigen Brenner stabilisierten turbulenten regimeübergreifenden Methan-Luft-Flammen unterschiedlicher Mischungszusammensetzungen und Strömungsgeschwindigkeiten war Gegenstand umfangreicher lasermesstechnischer Untersuchungen. An der Combustion Research Facility (CRF) der Sandia National Laboratories (Livermore, Kalifornien) wurden Skalarmessungen mittels kombinierter Raman-/Rayleigh-Spektroskopie sowie laserinduzierter Fluoreszenz des CO-Moleküls durchgeführt. Am Institut für Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) der TU Darmstadt wurden an einer Vergleichsflamme und zwei zusätzlichen Flammenkonfigurationen ebenfalls kombinierte Raman-/Rayleigh-Skalarmessungen sowie Geschwindigkeitsmessungen mittels Particle Image Velocimetry (PIV) und simultane Versuche zur Flammenvisualisierung mittels laserinduzierter Fluoreszenz des SO2-Moleküls durchgeführt. Die Anregungsseite des Raman-/Rayleigh-Aufbaus am RSM wurde im Rahmen dieser Arbeit komplett neu aufgebaut. Zudem stellen die in dieser Arbeit präsentierten Messungen die ersten umfangreichen Experimente an turbulenten Flammen mit der kürzlich in einer vorangegangenen Arbeit überarbeiteten Detektionsseite des Prüfstandes dar. Der experimentelle Aufbau sowie die Vorgehensweise zur Kalibration, Datenvorbereitung und -auswertung mit der Methode der hybriden Matrix-Inversion werden in der vorliegenden Arbeit ausführlich dargestellt. Die untersuchten Flammenkonfigurationen zeigen hinsichtlich ihres globalen Erscheinungsbildes einige typische Merkmale. Allen Flammenkonfigurationen gemein ist die Ausbildung einer ausgedehnten Rezirkulationszone, die die Verbrennung brennstoffreichen Gemisches aus einer zentralen Jet-Strömung in einer abgehobenen inneren Reaktionszone durch die Rückströmung heißer Verbrennungsprodukte aus einer mageren äußeren Vormischflamme fördert. Diese beiden Reaktionszonen bleiben in allen Flammenkonfigurationen über die gesamte Höhe der Flammen räumlich deutlich voneinander getrennt. Beide Reaktionszonen werden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich ihrer Lage im Orts- und Zustandsraum, ihrer Interaktion und des Grades der lokalen Stratifizierung des Mischungsfeldes eingehend untersucht. Die Anteile vorgemischter, nicht-vorgemischter und regimeübergreifender Flammenzonen innerhalb der inneren Reaktionszone wurden für zwei Flammenkonfigurationen mit der kürzlich entwickelten Methode Gradient Free Regime Identification (GFRI) analysiert. Sämtliche an der CRF vermessenen Flammen wurden zusätzlich hinsichtlich der lokal vorliegenden Werte eines gradientenbasierten Regime-Index untersucht. Es zeigt sich, dass der Anteil regimeübergreifender Prozesse an der Verbrennung in der inneren Reaktionszone je nach Flammenkonfiguration und Messposition teilweise mehr als 75% erreicht. Dieser Anteil ist abhängig von der über die Flammenkonfigurationen hinweg variierten Mischungszusammensetzung im brennstoffreichen Jet und der Ausströmgeschwindigkeit reiner Luft aus einem umgebenden Ringspalt. Es stehen nun umfangreiche experimentell gewonnene Skalar- und Geschwindigkeitsdaten zu Flammen mit parametrisch variierten Mischungs- und Strömungsbedingungen am Einströmrand des Brenners und daraus resultierenden variierenden Anteilen vorgemischter, nichtvorgemischter und regimeübergreifender Verbrennung als Validierungsbasis für numerische Untersuchungen sowie für weitergehende Analysen zur Verfügung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Object of this work are detailed experimental investigations of a series of turbulent flames featuring multi-regime characteristics using laser diagnostic methods. Multi-regime combustion processes feature areas in which premixed and non-premixed flame zones can be found in close spatial proximity where they interact with each other and contribute to fuel consumption and heat release to varying degrees. In the context of the present work a novel burner was developed, which is characterized by an improved optical accessibility and more well defined and boundary conditions compared to the laboratory burner configurations that are already established in literature. A series of turbulent multi-regime methane-air flames of different mixture compositions and flow velocities stabilized on this novel burner has been the subject of extensive laser measurements. At the Combustion Research Facility (CRF) of Sandia National Laboratories (Livermore, California) scalar measurements were performed using combined Raman/Rayleigh spectroscopy and laser-induced fluorescence of carbon monoxide. At the Institute for Reactive Flows and Diagnostics (RSM) at TU Darmstadt, combined Raman/Rayleigh scalar measurements as well as velocity measurements using Particle Image Velocimetry (PIV) and simultaneous experiments for flame visualization using laser-induced fluorescence of sulphur dioxide were also performed on a reference flame and two additional flame configurations. The excitation setup of the Raman/Rayleigh laboratory at RSM was completely rebuilt in the course of this work. In addition, the measurements presented in this thesis represent the first extensive experiments on turbulent flames with the recently revised detection setup of the test rig. The experimental setup as well as the procedure for calibration, data processing and evaluation using the hybrid matrix inversion method are described in detail. The investigated flame configurations share some typical features with respect to their global appearance. The formation of an extended recirculation zone promoting combustion of fuel-rich mixtures from a central jet flow in a lifted inner reaction zone by the recirculation of hot combustion products from a lean outer premixed flame is common to all flame configurations. These two reaction zones remain clearly separated in all flame configurations over the entire length of the flames. Both reaction zones are investigated in detail with respect to their position in physical and state space, their interaction and the degree of local stratification of the mixing field. The proportions of premixed, non-premixed and multi-regime flame zones within the inner reaction zone in two of the flame configurations are analyzed using the recently developed Gradient Free Regime Identification (GFRI) method. In addition, all flames measured at the CRF were examined with respect to the local values of a gradient based regime index. It is shown that the proportion of multi-regime combustion processes in the inner reaction zone can reach more than 75% depending on the flame configuration and measurement position. This proportion depends on the mixture composition in the fuel-rich jet varied across flame configurations and the exit velocity of pure air from a surrounding annular slot. An extensive database of experimentally obtained scalar and velocity data on flames with parametrically varied mixture and flow conditions at the inlet edge of the burner and resulting varying proportions of premixed, non-premixed and multi-regime combustion is a major outcome of this work. This database will be useful for the validation of numerical simulations as well as further investigations into the phenomenon of multi-regime combustion.English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVII, 135 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 18 Dec 2020 13:47
Last Modified: 18 Dec 2020 13:47
DOI: 10.25534/tuprints-00014249
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142496
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Hasse, Prof. Dr. Christian and Geyer, Prof. Dr. Dirk
Refereed: 28 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14249
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