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Supercontinuum Absorption Spectroscopy for Combustion Diagnostics

Blume, Niels Göran :
Supercontinuum Absorption Spectroscopy for Combustion Diagnostics.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Supercontinuum Absorption Spectroscopy for Combustion Diagnostics
Language: English
Abstract:

During recent years, sensors and diagnostic systems have seen an increase in demand, due to stricter legislative regulations for certification, as well as industry trends, such as Internet of Things and Industry 4.0. In addition, recent scientific discoveries (for example gravitational wave detection) are the result of international collaborations in the field of sensors and diagnostics. The ability to measure process-relevant parameters, preferably in situ and disturbance-free, is essential for improving performance of various systems, from chemical plants to internal combustion engines and energy power plants. Only with precise knowledge of the parameters of these processes, an improvement in efficiency and a reduction of pollutant emissions is achievable. Given the process optimizations in the last decade, the conditions under which a diagnostic system has to obtain valid measurements have significantly harshened. Most of the requirements can only be fulfilled with multi-scalar and multi-species measurements. To obtain such measurements, an optical diagnostic system is often unavoidable, especially for in situ measurements. Given its robustness and versatility, absorption spectroscopy offers great possibilities for such measurements. With the recent arrival of Supercontinuum Laser Light Source (SCLs), which offer broad spectral coverage in pulsed form, the concept of Supercontinuum Laser Broadband Absorption Spectroscopy (SCLAS) was developed, relying on a dispersion in time to record optical spectra. Given the broad spectral coverage, it is possible to derive multiple scalars including species concentrations, pressure and temperature purely optical. Furthermore, such broad coverage is essential for measurements in high-pressure environments (i.e. within the cylinder of an internal combustion engine). Based on an extensive discussion of the underlying effects and processes, necessary spectroscopic models and algorithms were developed to process the obtained measurements. Based on these models, several test cases for SCLAS were investigated, including static tests to quantify accuracy and uncertainty, as well as steady-state laminar flames. Based on the knowledge of these experiments, SCLAS was transferred to transient systems including high-pressure cells and was applied for in-cylinder measurements at a transparent engine test bed. In addition, based on the results of the validation and application tests, new spectroscopic models were developed to fully utilize the potential of SCLs in general and SCLAS in particular. These new models were evaluated against standard practices and found to be an improvement with regards to complexity and speed of data-processing. Furthermore, these models, as opposed to standard gas absorption spectroscopy models, allow for modelling of liquids as well as complex non-discrete absorbing species, such as propane and AdBlue (DEF). Overall, the diagnostic technique SCLAS was proven in comparison to established techniques, while advanced approaches to measure in situ in high-pressure high-temperature processes were developed and tested.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Sensoren und Messsysteme haben in den vergangenen Jahren eine erhöhte Nachfrage erfahren, bedingt sowohl durch striktere gesetzliche Vorschriften als auch durch gegenwärtige technische Trends wie das Internet der Dinge oder Industrie 4.0. Des Weiteren waren zahlreiche große wissenschaftliche Entdeckungen (z.B. der Nachweis von Gravitationswellen) das Ergebnis internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Sensorik und Messsysteme. Die Möglichkeit, prozessrelevante Parameter, vorzugsweise in situ und störungsfrei, zu messen, ist essentiell für die Verbesserung vieler technischer Anlagen. Nur mit genauer Kenntnis der Prozesse kann eine Steigerung der Effizienz und eine Reduktion des Schadstoffausstoßes erreicht werden. Bedingt durch die Entwicklung der letzten Jahre sind die Anforderungen an Messsysteme weiter gestiegen. Viele dieser Anforderungen können nur mittels multi-skalarer Messtechniken mit zeitgleicher Erfassung mehrerer Prozess-Parameter erfüllt werden. Um derartige Messungen durchführen zu können, ist ein optisches Messsystem oft unerlässlich, im Besonderen für in situ Messungen. Auf Grund ihrer Robustheit und Vielfältigkeit bietet Absorptionsspektroskopie vielfältige Möglichkeiten für derartige Messungen. Darüber hinaus wird, seit der Verfügbarkeit von Supercontinuum Laser Light Sources (SCLs) mit gepulsten breitbandigen Emissionen, die Supercontinuum Laser Broadband Absorption Spectroscopy (SCLAS) entwickelt, welche die Dispersion in der Zeit nutzt, um Spektren zu erfassen. Auf Grund des breiten spektralen Inhalts können mit diesem System viele Größen inklusive Spezies-Konzentrationen, Druck und Temperatur simultan rein optisch gemessen werden. Ein derartig breite spektrale Abdeckung ist außerdem für Messungen in Hochdruck-Umgebungen erforderlich. Ausgehend von einer umfassenden Diskussion der zu Grunde liegenden Effekte und Prozesse wurden notwendige spektroskopische Modelle und Algorithmen entwickelt, um die erfassten Messungen auszuwerten. Ausgehend von diesen Modellen wurden verschiedene Testfälle untersucht, einschließlich statischer Tests zur Quantifizierung von Unsicherheiten, sowie die Vermessung eines quasi-stationären laminaren Brenners. Ausgehend von diesen Experimenten wurde SCLAS anschließend auf transiente Systeme übertragen und für In-Zylinder-Messungen an einem Glas-Motor für die Forschung angewendet. Zusätzlich, basierend auf den Ergebnissen der Validierung und Anwendungstests, wurden neue spektroskopische Modellierungsansätze entwickelt, um das volle Potenzial der SCL im Allgemeinen und von SCLAS im Speziellen zu erschließen. Diese neuen Modelle wurden mit etablierten Systemen verglichen und als Verbesserung hinsichtlich Komplexität und Rechenaufwand eingestuft. Des Weiteren können die Modelle, anders als Standardmodelle für Gas Absorptionsspektroskopie, auch zur Modellierung von Flüssigkeiten und komplexen, nicht-diskreten Absorbern, wie z.B. Propan und AdBlue, verwendet werden. Insgesamt konnte die Messtechnik SCLAS sich gegenüber etablierten Messtechniken beweisen und innovative Messansätze für in situ Hochdruck- und Hochtemperatur-Messungen konnten entwickelt, erprobt und validiert werden.German
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: 29 Aug 2019 11:29
Last Modified: 29 Aug 2019 11:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90007
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Goldenstein, Prof. Christopher S.
Refereed: 25 September 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9000
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