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Flashback investigations in a premixed swirl burner by high-speed laser imaging

Heeger, Christof:
Flashback investigations in a premixed swirl burner by high-speed laser imaging.
Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 6, Energietechnik (601). VDI Verlag GmbH , Düsseldorf, Deutschland . ISBN 978-3-18-360106-6
[Book], (2012)

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Dissertation, Christof Heeger, Flashback investigations in a premixed swirl burner by high-speed laser imaging, Print-Version erschienen im VDI Verlag - PDF
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Item Type: Book
Title: Flashback investigations in a premixed swirl burner by high-speed laser imaging
Language: English
Abstract:

In this thesis flame flashback in a lean premixed swirl burner with central bluff-body was investigated using high speed multi-parameter laser imaging diagnostics. Starting with the fundamentals, the theoretical background of fluid dynamics was presented. This included turbulence, swirl and flows in boundary layers. Regarding the involved chemistry, the oxidation of methane was detailed and six mechanisms of nitric oxides formation together with reduction strategies were pictured. Lean premixed combustion as the primary reduction strategy for gas turbine combustors and the inherent flashback problem were discussed. Different mechanisms of flashback due to thermo-acoustic instabilities, propagation in boundary layers and in the core flow were classified. The swirl burner under investigation was described with an emphasis on the movable block swirl generator and the modifications with respect to the original design. The measurement principles for the various experimental combustion diagnostics were explained along with their limitations in investigating unpredictable transient processes. The measurement techniques included Chemiluminescence, Planar Laser-Induced Fluorescence of OH radicals, two- as well as three-component Particle Image Velocimetry and wall pressure measurements on the bluff-body. The extension to temporally correlating data acquisition by using high speed lasers and cameras was described. The interdependency of the spatial and temporal scales was investigated and a method to visualize the camera performance with respect to the scales of interest was developed. Furthermore, the concept of quasi four-dimensional data acquisition by laser sheet scanning was exemplified. The recent work using planar multi-parameter imaging was summarized and multi-dimensional data conditioning was presented as a technique to statistically compare unpredictable transient events. Multi-parameter measurements were applied in three different experimental setups. The results showed three different stabilization points of the flame base. Stability maps of the burner's parameter field with respect to various flow and flame parameters were generated. Comparison of the dataset to a calibrated flashback model by Konle et al. revealed good agreement. Frequency analysis of the measurements proved the existence of large scale coherent flow structures. Further correlations of flame structure showed that limit cycle oscillations were a subsequent result of upstream flame propagation. The analysis of the global flame tip location revealed propagation speeds against the oncoming flow that exceeded the estimated turbulent flame speed. The existence of a negative recirculation zone bubble upstream of the flame tip was observed based on the conditioned data. The flame was following the bubble upstream at a velocity of approximately 1.5 m/s. Based upon these findings a flame propagation prototype was formulated and a hypothesis for flashback in swirled flows with central bluff-body was postulated. For the first time, simultaneous acquired and temporally resolved experimental data on the velocity field and scalar information close to the wall inside a burner nozzle was acquired. It appears that the recorded data of flashback phenomenon supports theories based on aerodynamics and baroclinity.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurde der Flammenrückschlag in einem mager-vorgemischten Drallbrenner mit zentralem Staukörper mittels Multi-Parameter-Hochgeschwindigkeits-Laser-Messtechnik-en untersucht. Beginnend mit den theoretischen Grundlagen wurden die Strömungsphänome-ne Turbulenz, Drall und Grenzschichten beschrieben. Des Weiteren wurde deren Beeinflussung durch die chemischen Reaktionen der Methanoxidation sowie die Entstehungs- und Reduktionsmechanismen von NOx dargestellt. Mager-vorgemischte Verbrennung als Reduktionsstrategie in Gasturbinen und das inhärente Problem des Flammenrückschlags in verschiedenen Ausprägungen wurden erläutert. Das Untersuchungsobjekt TECFLAM-Brenner mit den vorgenommen Modifikationen zur optischen Zugänglichkeit wurden vorgestellt, sowie die angewendeten Messtechniken zusammen mit den jeweiligen Limitierung bezüglich der Untersuchung von transienten Prozessen aufgezeigt. Die Messtechniken beinhalteten Chemilumineszenz, planare Laser-induzierte Fluoreszenz von OH Radikalen, zwei- und drei-Komponenten Particle Image Velocimetry und Wanddruckmessungen am Staukörper. Diese Techniken wurden weiterentwickelt, um zeitlich korrelierte Messdaten zu erhalten. Die Abhängigkeit der zeitlich und räumlich auftretenden Skalen wurde zudem untersucht und eine Methode zur graphischen Darstellung der spezifischen Kameraparameter in Bezug auf diese Skalen entwickelt. Weitergehend wurde das Konzept der vier-dimensionalen Datenerfassung mittels Lichtschnitt-Scanning praktisch vorgeführt. Die bestehende Literatur zur Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung mittels planarer Lasermesstechniken wurde zusammengefasst und die multi-dimensionale Konditionierung als Auswertemethode von unvorhergesehenen Prozessen erläutert. Die verwendeten Messtechniken kamen in drei verschiedenen Messaufbauten zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigten drei verschiedene Flammenstabilisierungspunkte. Weiterhin wurden Rückschlagkarten des Brenners bezüglich verschiedenster Strömungs- und Verbrennungsparameter erstellt und die Daten mit dem Model von Konle et al. verglichen, das gute Übereinstimmung zeigte. Eine Frequenzanalyse stellte zudem die Existenz von großskalig kohärenten Strukturen heraus. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die mit dem Rückschlag einhergehenden Druckoszillationen eine Folge des Rückschlags sind und diesen nicht hervorrufen. Die Analyse der Flammenspitzen-position zeigte Rückschlaggeschwindigkeiten, die die turbulente Brenngeschwindigkeit übersteigen. Die Existenz einer Rezirkulationszone vor der Flammenspitze konnte mittels der konditionierten Datenauswertung beobachtet werden in deren Nachlauf sich die Flamme mit ca. 1,5 m/s stromauf bewegte. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein typisches Flammen-propagationsverhalten beschrieben und eine Hypothese zum Rückschlagmechanismus in verdrallten Strömungen mit zentralem Staukörper formuliert. Zum ersten Mal wurden simultane zeit- und raumaufgelöste Daten von Strömung, Flamme und Druck in der Nähe der Staukörperwand innerhalb der Düse aufgenommen. Die Ergebnisse unterstützen Rückschlagtheorien, welche sowohl auf klassischer Aerodynamik als auch auf baroklinen Effekten beruhen.German
Series Name: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 6, Energietechnik
Number: 601
Place of Publication: Düsseldorf, Deutschland
Publisher: VDI Verlag GmbH
Collation: XII, 138 S.
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Turbulent combustion, Gas turbines, TECFLAM burner, Vortex breakdown, Turbulence-flame interaction, Flame propagation, Burner stability, Planar Laser-Induced Fluorescence, Particle Image VelocimetryEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Energie- und Kraftwerkstechnik
Zentrale Einrichtungen > Center of Smart Interfaces (CSI) > FG3 Reactive Flows and Diagnostics
Date Deposited: 28 Mar 2012 12:43
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29351
Additional Information:

Darmstadt, TU, Diss., 2011

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Darmstadt, TU, Diss., 2011

URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2935
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