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Experimentelle Untersuchung der Flammenpropagation in partiell vorgemischten Freistrahlen

Weinkauff, Johannes Julian :
Experimentelle Untersuchung der Flammenpropagation in partiell vorgemischten Freistrahlen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchung der Flammenpropagation in partiell vorgemischten Freistrahlen
Language: German
Abstract:

Partiell vorgemischte Verbrennung findet in einer Vielzahl von industriellen Feuerungen Anwendung. Nahezu alle industriellen Nutzfeuerungen und sicherheitskritische Feuerun- gen basieren auf dieser Flammenklasse, welche die Komplexität von vorgemischten und nicht vorgemischten Flammen vereint. Detaillierte Kenntnisse über das Flammenausbrei- tungsverhalten, die so genannte Flammenpropagation sind von grundsätzlicher Bedeutung bei der Auslegung von Feuerungs- und Antriebssystemen, da die Flammenpropagation ent- scheidend für den Erfolg oder Misserfolg des Zündungsprozesses ist. Grundlagenorientierte experimentelle Untersuchung der Flammenpropagation kann Einblicke in die Wirkprinzi- pien bieten, welche die Flammenpropagation kontrollieren und damit zu optimierung und Validierung numerischer Modelle beitragen. Um die zentralen Einfussparameter Mischung und Strömung bei der Flammenpropaga- tion messtechnisch zu erfassen werden die Planare Lasinduzierte Fluoreszenz (PLIF) des Aceton-Moleküls und die Stereoskopische Particle Image Velocimetry (SPIV) eingesetzt. Die Rohdaten der SPIV-Messungen erlauben dabei auf Basis des Gasdichtesprunges und der Strömungsverzögerung eine Abschätzung über den Reaktionsort der Flamme zu tref- fen. Auf diese Weise werden zeitaufgelöste Sequenzen von Strömungsgeschwindigkeiten in allen drei Raumrichtungen, Mischungsbruch und Flammenfrontposition mit hoher räum- licher Auflösung in einem ebenen Messfeld im Propagationsbereich der Flamme ermit- telt. Die Messverfahren werden durch Einsatz von Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kameras und leistungsfähigen gepulsten Festkörperlasern mit hohen Repetitionsraten zeitauflösend betrieben. Zum Zeitpunkt der Durchführung des Experiments wird weltweit erstmalig die Hochgeschwindigkeits-SPIV simultan mit der Hochgeschwindigkeits-PLIF des Aceton- Moleküls in reagierender Strömung eingesetzt. Um die gewonnenen Rohdaten verarbeiten und interpretieren zu können werden leis- tungsfähige Datenverarbeitungsroutinen geschaffen. Durch einsatz von fortschrittlichen Wavelet-Entrauschungsverfahren kann das Kamerarauschen nahezu vollständig eliminiert werden. Die so optimierten Daten erlauben die Berechnung von Gradientengrößen wie der skalaren Dissipationsrate sowie die detaillierte Analyse des Mischungsbruches bei stöchio- metrischen Bedingungen. Zur Interpretation der Messergebnisse werden zunächst statistische Momente der gemes- senen Grßen herangezogen. Der Vergleich mit Ähnlichkeits- und Näherungslösungen aus der Literatur zeigt gute Übereinstimmung und belegt die Zuverlässigkeit von Mess- und Auswertungsmethodik. Die Betrachtung von isothermen Einzelmessungen verdeutlicht so- wohl Qualität der Messdaten als auch Komplexität der Strömungs- und Mischungsprozesse im isothermen Freistrahl. Einzelsequenzen belegen, dass die Flammenpropagation in vielen Fällen von der Mischung dominiert wird. In einigen Fällen zeigen sich weitere dominierende Faktoren, die Flam- menkrümmung und die damit verbundene -streckung werden als Einflusssparameter iden- tifiziert. Eine abschließende konditionierte statistische Analyse zeigt, dass es sich hierbei um seltene Sonderfälle handelt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Partial premixed combustion is used in variety of industrial firing systems. Almost all combustion systems for process heat and safety-critical firings rely on flames of this regime, which comprises the complexity of both premixed and non-premixed flames. Detailed knowledge about the flame propagation behavior is critical for the prediction of success or failure of ignition processes. Fundamental experimental investigation yields insight to the basic physical principles which control flame propagation and can therefore be used to optimize and validate numerical models. To detect mixture formation and fluid motion, Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) of acetone and Stereoscopic Particle Image Velocimetry (SPIV) are used. SPIV raw data enables the analysis of the density change between hot and cold gas, which is in combination with the flow deceleration used to estimate the location of the reaction zone of the flame. In this way, sequences of the flow rates in three dimensions, mixture fraction and the flame-front position are obtained in a planar measurement are in the propagation zone of the flame with high spatial resolution. The use of high-speed CMOS-cameras and pulsed solid-state laser systems with high repetition rates, these laser diagnostics systems enabled the analysis of time-resolved data. By the time of the investigation, this is the world’s first use of combined High-speed PLIF and SPIV in reactive flow conditions. To be able to process and interpret the recorded data, powerful data analysis routines where programed. Advanced wavelet-denoising routines allow for eliminating camera noise almost completely by post-production. This enables the calculation of gradual quantities, such as scalar dissipation rate and a detailed analysis of the mixture fraction. In a first step, statistical moments of the measured quantities are analyzed. Comparison with scaling laws shows good agreement and strengthens confidence in the measurements and data evaluation processes. Isothermal single-shot measurement inspection furthermore emphasizes both the quality of the experimental results and the complexity of the flow and the mixture formation processes in the isothermal jet. The analysis of sample sequences prove that flame propagation is controlled by mixing processes in most cases. In some cases, other factors such as flame curvature and flame stretching can be identified as additional control parameters. A concluding analysis of conditional statistics shows that these cases are rare exceptions.English
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: 02 Nov 2017 11:47
Last Modified: 02 Nov 2017 11:47
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68743
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Will, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 18 January 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6874
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