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Investigation of Reaction and Transport Phenomena during Flame-Wall Interaction Using Laser Diagnostics

Zentgraf, Florian (2022)
Investigation of Reaction and Transport Phenomena during Flame-Wall Interaction Using Laser Diagnostics.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021314
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Investigation of Reaction and Transport Phenomena during Flame-Wall Interaction Using Laser Diagnostics
Language: English
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Schulz, Prof. Dr. Christof
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXVI, 194 Seiten
Date of oral examination: 23 March 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021314
Abstract:

In this dissertation, flame-wall interaction (FWI) is investigated experimentally with respect to near-wall reaction and transport effects. In technical combustion, FWI processes are crucial, as they involve negative aspects like lowered efficiency or promoted pollutant formation. FWI is a highly complex interaction between surface, reaction and flow, where the most relevant processes occur a few hundred microns above the surface. So far, it is not yet fully understood. As near-wall reaction chemistry is fuel-dependent, FWI of novel alternative fuels thus requires investigation, like for the partially oxygenated dimethyl ether used here. A generic side-wall quenching (SWQ) burner for premixed atmospheric operation is used, with well-defined boundary conditions and good accessibility for experimental and numerical studies. Comprehensive measurements during FWI are performed by means of various laser diagnostics implemented simultaneously.

Near-wall flame and flow dynamics are assessed simultaneously by spatially and temporally highly resolved fields of velocity (by particle image velocimetry) and flame front distribution (by laser-induced fluorescence (LIF) of OH). In turbulent operation, SWQ-like and head-on quenching (HOQ)-like events alternate randomly. Turbulent boundary layers are resolved down to y^+=1.5. During flame quenching, the inner structure (y^+≤5) remains unaffected while scaling laws are no longer valid farther from the wall. The results suggest that near-wall vortex structures promote exhaust gas recirculation (EGR) in SWQ-like events, while they push the reaction zone towards the wall in HOQ-like cases.

Near-wall thermochemistry is studied by quantitatively and simultaneously measuring gas temperature and mole fractions of CO2 (by dual-pump coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) as well as CO (by CO-LIF) along with qualitative OH-LIF. This is the first reported application of this three-parameter thermochemistry diagnostics in FWI environments. A validation of the approach yields good accuracy and precision for application during FWI. CO2 proves to be less affected by the non-adiabatic conditions during FWI than CO. Under laminar conditions, the importance of differential diffusion effects in near-wall thermochemistry is demonstrated by comparison to numerical simulation. Investigation of turbulent FWI suggests the presence of further transport mechanisms compared to the laminar case, different for SWQ- and HOQ-like events. Through coupling with the findings on vortex structures, the hypothesis on near-wall EGR is supported, as CO2 is evident upstream the quenching point. Overall, additionally measuring CO2 proves highly suitable to describe FWI and enables the identification of novel insights and phenomena. A feasibility study on partially premixed FWI reveals that both near-wall flame structure and thermochemistry change significantly compared to the fully premixed case.

The presented results provide novel insights into FWI that extend beyond the state of research and yield outstanding validation data for numerical simulation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In dieser Dissertation wird Flammen-Wand-Interaktion (FWI) im Hinblick auf wandnahe Reaktions- und Transporteffekte experimentell untersucht. Bei technischer Verbrennung sind FWI-Prozesse von entscheidender Bedeutung, da sie negative Aspekte wie einen verringerten Wirkungsgrad oder verstärkte Schadstoffbildung mit sich bringen. FWI ist eine hochkomplexe Wechselwirkung zwischen Oberfläche, Reaktion und Strömung, wobei die wichtigsten Prozesse einige hundert Mikrometer über der Oberfläche stattfinden. Bislang ist sie noch nicht vollständig verstanden. Da wandnahe Reaktionschemie brennstoffabhängig ist, muss FWI neuartiger alternativer Brennstoffe untersucht werden, wie beim hier verwendeten partiell oxygenierten Dimethylether. Es wird ein generischer Side-Wall-Quenching (SWQ)-Brenner für vorgemischten, atmosphärischen Betrieb verwendet, der gut definierte Randbedingungen aufweist und für experimentelle und numerische Studien gut zugänglich ist. Umfangreiche Messungen in FWI werden mit verschiedenen, gleichzeitig angewendeten Lasermesstechniken durchgeführt.

Die wandnahe Flammen- und Strömungsdynamik wird durch räumlich und zeitlich hochaufgelöste Felder der Geschwindigkeit (mittels Particle Image Velocimetry) und der Flammenfrontverteilung (mittels Laser-induzierter Fluoreszenz (LIF) von OH) simultan bewertet. Im turbulenten Betrieb wechseln sich SWQ-artige und Head-on Quenching (HOQ)-artige Zustände zufällig ab. Turbulente Grenzschichten werden bis zu y^+=1,5 aufgelöst. Beim Verlöschen bleibt die innere Struktur (y^+≤5) unverändert, während Skalierungsgesetze weiter von der Wand entfernt keine Gültigkeit mehr haben. Die Ergebnisse legen nahe, dass wandnahe Wirbelstrukturen bei SWQ-artigen Fällen Abgasrückführung (AGR) fördern, während sie in HOQ-artigen Fällen die Reaktionszone zur Wand drücken.

Die Thermochemie in Wandnähe wird durch quantitative und gleichzeitige Messung der Gastemperatur und der Molanteile von CO2 (dual-pump kohärente anti-Stokes Raman Spektroskopie) sowie von CO (CO-LIF) zusammen mit qualitativer OH-LIF untersucht. Dies ist die erste berichtete Anwendung dieser Drei-Parameter-Thermochemie-Diagnostik in FWI-Umgebungen. Eine Validierung des Ansatzes ergibt eine gute Genauigkeit und Präzision für die Anwendung bei FWI. CO2 erweist sich bei FWI als weniger betroffen von den nicht-adiabaten Bedingungen als CO. Unter laminaren Bedingungen wird die Bedeutung von differentiellen Diffusionseffekten in der wandnahen Thermochemie durch den Vergleich mit numerischen Simulationen aufgezeigt. Die Untersuchung von turbulenter FWI deutet auf das Vorhandensein weiterer Transportmechanismen im Vergleich zum laminaren Fall hin, die sich für SWQ- und HOQ-artige Fälle unterscheiden. Durch die Kopplung mit den Erkenntnissen zu Wirbelstrukturen wird die These zur wandnahen AGR gestützt, da CO2 stromauf des Verlöschungspunkts nachweisbar ist. Insgesamt erweist sich die zusätzliche Messung von CO2 als sehr geeignet, um FWI zu beschreiben und ermöglicht die Identifizierung neuer Erkenntnisse und Phänomene. Eine Machbarkeitsstudie zur teilweise vorgemischten FWI zeigt, dass sich sowohl die wandnahe Flammenstruktur als auch die Thermochemie signifikant verändern, verglichen zum vollständig vorgemischten Fall.

Die vorgestellten Ergebnisse liefern neue Einblicke in FWI, die über den Stand der Forschung hinausgehen sowie hervorragende Validierungsdaten für die numerische Simulation.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-213140
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 30 Aug 2022 10:51
Last Modified: 31 Aug 2022 06:38
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21314
PPN: 498731863
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