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Investigation of Turbulent Flame Characteristics via Laser Induced Fluorescence

Omar, Sunil Kumar :
Investigation of Turbulent Flame Characteristics via Laser Induced Fluorescence.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of Turbulent Flame Characteristics via Laser Induced Fluorescence
Language: English
Abstract:

In the present thesis experimental investigation to study turbulent flame characteristics using laser based methods is presented. Combustion inside almost all technical industrial devices takes place under turbulent environment. In addition, a significant amount of effort is ongoing to improve the knowledge of turbulent combustion. This work is focussed on the turbulent-chemistry interaction, which remains to be the bottleneck problem in turbulent combustion. Combustion flames from turbulent opposed jet burner and swirl stabilized burner have been investigated using laser induced fluorescence utilizing single-point, single-scalar as well as state of the art multi-scalar, planar technique. Investigation on flames from turbulent opposed jet burner has been carried out. With the same burner set-up, flames from the partially-premixed mode to the premixed mode have been studied while varying parameters like Reynolds numbers and equivalence ratio. The results from the current work provide a detailed insight on flame physics, flame front characteristics, flame front dynamics and extinction phenomenon. Local flame area distribution results have been evaluated and used to confirm for the flame symmetry of turbulent opposed jet burner. It is found that flame stability is decreased not due to small wrinkling of the flame front but due to the total flame stretch, thus confirming the presence of "young turbulence". Young turbulence is characterized by large eddies that yet do not have decayed to smaller structures along the turbulent energy cascade due to limited residence time. In addition it is also concluded that flame extinction phenomenon is due to the large eddies rather than small eddies that disrupts the reaction zone. A technical relevant lean premixed flame from a swirled stabilized turbulent jet burner was used as another test case. Location of peak heat release rate using state of the art planar laser induced fluorescence has been studied in this flame. Single laser system has been used to simultaneously detect two molecular species namely, hydroxyl [OH] and formaldehyde [HCHO]. Snap-shot of peak heat release rate have been provided by simultaneously multiplying spatially and temporarily matched images from both detected molecule. 1000 single-shot images have been taken to build sufficient and clean statistical results. In addition to the experimental work, advanced image processing routines have been developed and applied for automatic data enhancement and analysis. Several algorithms employing filters, smoothing functions and image enhancement were tested and checked for their end results. Sensitive analysis to choose the combination of right parameters has been also done and is specific to the images evaluated in the present work. Lastly, experimental investigation from the current thesis will help in building a data bank for such flames. As the numerical models due to their limitations, requires experimental information to test for their efficacy and capabilities, these results will help to validate numerical models.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der folgenden Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung zur Charakterisierung turbulenter Flammen vorgestellt, die auf laserbasierten Messmethoden beruht. In technischen Systemen findet Verbrennung überwiegend in turbulenter Umgebung statt. Daher ist ein besseres Verständnis von turbulenter Verbrennung von großem Interesse. Diese Arbeit ist auf die Chemie-Turbulenz-Interaktion fokussiert, da diese in der Verbrennung noch nicht ausreichend verstanden ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine turbulente Gegenstrom flamme sowie eine drallstabilisierte flamme mit Hilfe von Laser induzierter Fluoreszenz (LIF) untersucht. Die Gegenstromkonfiguration eignet sich besonders für die verschiedensten Messmethoden aufgrund des relativ einfachen, mittleren Strömungsfeldes und der guten optischen Zugänglichkeit. Es wurden durch eine Änderung der Gemischzusammensetzung partiell- sowie vollständig vorgemischte Flammen untersucht. Zusätzlich wurde eine Reynoldszahlvariation durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung liefern einen detaillierten Einblick in die physikalischen Vorgänge in der Flamme, in die Charakteristik und Dynamik der Flammenfront sowie in Verlöschvorgänge. Die lokale Flammenflächenverteilung wurde ausgewertet. Die Flammenstabilität sinkt nicht aufgrund kleinskaliger Auffaltung der Flammenfront sondern durch eine globale Streckung der Flamme. Flammenverlöschen wird nicht durch die kleinen sondern durch große Wirbel verursacht, die die Reaktionszone durchtrennen. Als weiterer Testfall wurde eine technisch relevante, magere, vorgemischte Flamme eines drallstabilisierten Brenners untersucht. Es wurde die örtliche Verteilung der maximalen Wärmefreisetzung mittels planarer LIF untersucht. Mittels eines Lasersystems wurden simultan die Radikale OH und Formaldehyd (HCHO) detektiert. Die maximale Wärmefreisetzung wurde durch Multiplikation der beiden Radikalverteilungen von räumlich und zeitlich aufeinander abgestimmten Einzelaufnahmen bestimmt. Um eine zuverlässige Datenbasis zu schaffen, wurden 1000 Aufnahmen gemacht. Zusätzlich zur experimentellen Arbeit wurden erweiterte Bildverarbeitungsroutinen entwickelt und für die automatisierte Datenauswertung eingesetzt. Mehrere Methoden wurden verglichen und anhand der Ergebnisse beurteilt. Eine Sensitivitätsanalyse der einzelnen Parameter wurde durchgeführt, um die passenden Parameter für die entsprechende Bildverarbeitung auszuwählen. Weiterhin dienen die experimentellen Ergebnisse als Erweiterung der bisherigen experimentellen Datensätze, die zur Validierung von zukünftigen, numerischen Modellen verwendet werden.German
Uncontrolled Keywords: turbulenter Verbrennung, Chemie-Turbulenz-Interaktion, Reagierende Strömung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
turbulenter Verbrennung, Chemie-Turbulenz-Interaktion, Reagierende StrömungGerman
Turbulent Flame Characteristics, Laser Induced Fluorescence, Partially-premixed Flame, Young TurbulenceEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000687
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6874
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schiffer, Prof. Dr.- Heinz-Peter and Dreizler, Dr. rer. n Andreas
Advisors: Janicka, Prof. Dr. Johannes
Refereed: 3 March 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/687
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