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Flame Topology and Thermochemical States in Laminar and Turbulent Biofuel Flames

Trabold, Johannes Ludwig (2024)
Flame Topology and Thermochemical States in Laminar and Turbulent Biofuel Flames.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026491
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In the pursuit of addressing climate change, biofuels and e-fuels emerge as promising alternatives for powering heavy-duty vehicles, long-distance passenger aircraft, and ships. These sectors account for approximately thirty percent of global carbon dioxide emissions, necessitating effective solutions. This research aims to conduct experiments to capture time and spatially-resolved validation data for these sustainable fuels, while also gaining insights into fuel-specific differences in flames.

This research is dedicated to advancing the understanding of fuel-specific combustion processes by achieving the following three primary objectives. Firstly, it involves the development of vaporized fuel burner systems with well-defined boundary conditions as the foundation for combustion system research. Secondly, it characterizes the flames of the four lowest alcohols stabilized on these burner systems, considering factors such as flame blow-off, size, and topology. Lastly, the research targets ethanol flames through qualitative and quantitative Raman and Rayleigh spectroscopy investigations, addressing the challenge of managing intermediate species associated with complex fuels.

The employed methodologies include OH-Planar laser-induced fluorescence for flame topology characterization, qualitative long-exposure Raman spectroscopy to unveil intermediate species, and single-shot Raman and Rayleigh spectroscopy to provide the first quantitative thermochemical state measurements in laminar and turbulent premixed ethanol flames. Comprehensive comparisons are made between bio- and e-fuels and the established reference fuel methane. One-dimensional numerical flame calculations complement the experimental approaches, providing additional insights.

Key findings include that turbulent alcohol flames exhibit increased wrinkling as the equivalence ratio transitions from lean to rich, accompanied by a decrease in the Lewis number. Qualitative highly-resolved long-exposure Raman spectroscopy reveals methane, formaldehyde, ethylene, and acetaldehyde as major intermediates in ethanol flames, while OME-3 flames predominantly show formaldehyde and methane. Lastly, capturing thermochemical states in ethanol/air flames is made possible through the following two pivotal innovations. Firstly, the traditional calibration role of the flat flame in the Matrix inversion Raman evaluation method is replaced by probing the center of opposed twin flames, overcoming limitations related to vaporized fuels. Secondly, a surrogate signal based on ethanol, carbon monoxide, and temperature is developed, effectively reproducing previously inaccessible intermediates within the ethanol/air flame front. This knowledge enables the quantification of the main flame species and temperatures with significantly enhanced accuracy.%Thermochemical states in ethanol flames are captured through innovations in the Raman matrix inversion calibration and the development of an intermediate surrogate signal based on ethanol, carbon monoxide, and temperature.

In summary, this work advances the apparatuses to study flames of prevaporized fuels, characterizes flame topology, and improves Raman and Rayleigh flame spectroscopy and its data evaluation. These accomplishments contribute to the understanding of biofuel and e-fuel combustion, play a crucial role in numerical model validation, and promote the use of renewable fuels in the transition to clean energy.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Trabold, Johannes Ludwig
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Flame Topology and Thermochemical States in Laminar and Turbulent Biofuel Flames
Sprache: Englisch
Referenten: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Geyer, Prof. Dr. Dirk
Publikationsjahr: 24 Januar 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: XXIII, 228 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 27 Juli 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026491
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26491
Kurzbeschreibung (Abstract):

In the pursuit of addressing climate change, biofuels and e-fuels emerge as promising alternatives for powering heavy-duty vehicles, long-distance passenger aircraft, and ships. These sectors account for approximately thirty percent of global carbon dioxide emissions, necessitating effective solutions. This research aims to conduct experiments to capture time and spatially-resolved validation data for these sustainable fuels, while also gaining insights into fuel-specific differences in flames.

This research is dedicated to advancing the understanding of fuel-specific combustion processes by achieving the following three primary objectives. Firstly, it involves the development of vaporized fuel burner systems with well-defined boundary conditions as the foundation for combustion system research. Secondly, it characterizes the flames of the four lowest alcohols stabilized on these burner systems, considering factors such as flame blow-off, size, and topology. Lastly, the research targets ethanol flames through qualitative and quantitative Raman and Rayleigh spectroscopy investigations, addressing the challenge of managing intermediate species associated with complex fuels.

The employed methodologies include OH-Planar laser-induced fluorescence for flame topology characterization, qualitative long-exposure Raman spectroscopy to unveil intermediate species, and single-shot Raman and Rayleigh spectroscopy to provide the first quantitative thermochemical state measurements in laminar and turbulent premixed ethanol flames. Comprehensive comparisons are made between bio- and e-fuels and the established reference fuel methane. One-dimensional numerical flame calculations complement the experimental approaches, providing additional insights.

Key findings include that turbulent alcohol flames exhibit increased wrinkling as the equivalence ratio transitions from lean to rich, accompanied by a decrease in the Lewis number. Qualitative highly-resolved long-exposure Raman spectroscopy reveals methane, formaldehyde, ethylene, and acetaldehyde as major intermediates in ethanol flames, while OME-3 flames predominantly show formaldehyde and methane. Lastly, capturing thermochemical states in ethanol/air flames is made possible through the following two pivotal innovations. Firstly, the traditional calibration role of the flat flame in the Matrix inversion Raman evaluation method is replaced by probing the center of opposed twin flames, overcoming limitations related to vaporized fuels. Secondly, a surrogate signal based on ethanol, carbon monoxide, and temperature is developed, effectively reproducing previously inaccessible intermediates within the ethanol/air flame front. This knowledge enables the quantification of the main flame species and temperatures with significantly enhanced accuracy.%Thermochemical states in ethanol flames are captured through innovations in the Raman matrix inversion calibration and the development of an intermediate surrogate signal based on ethanol, carbon monoxide, and temperature.

In summary, this work advances the apparatuses to study flames of prevaporized fuels, characterizes flame topology, and improves Raman and Rayleigh flame spectroscopy and its data evaluation. These accomplishments contribute to the understanding of biofuel and e-fuel combustion, play a crucial role in numerical model validation, and promote the use of renewable fuels in the transition to clean energy.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Im Streben nach der Bewältigung des Klimawandels erweisen sich Biokraftstoffe und E-Fuels als vielversprechende Alternativen für den Antrieb von Lastkraftwagen, Langstreckenflugzeugen und Schiffen. Diese Sektoren tragen zusammen etwa dreißig Prozent der globalen Kohlenstoffdioxidemissionen bei, was die Notwendigkeit effektiver Lösungen verdeutlicht. Diese Arbeit hat zum Ziel, zeitlich und räumlich aufgelöste Validierungsdaten für diese Brennstoffe zu produzieren und Brennstoff-spezifische Unterschiede sichtbar zu machen.

Um dies zu erreichen, besitzt diese Arbeit drei Schwerpunkte. Erstens umfasst sie die Entwicklung von Brennersystemen mit klar definierten Randbedingungen für vorverdampte Brennstoffe, die als Grundlage für die Verbrennungsforschung dienen. Zweitens werden die Flammen der vier niedrigsten Alkohole, welche auf diesen Brennersystemen stabilisiert werden, hinsichtlich Faktoren wie Flammen-Blowoff, -Ausdehnung und -Topologie charakterisiert. Schließlich werden Ethanolflammen mit Hilfe von qualitativer und quantitativer Raman-Rayleigh-Spektroskopie genauer untersucht. Dabei wurde mit der Berücksichtigung der verstärkten Präsenz von Zwischenprodukten eine wichtige Herausforderung erfolgreich bewältigt.

Die angewendeten Methoden umfassen die planare laserinduzierte OH-Fluoreszenz zur Charakterisierung der Flammentopologie, die qualitative Raman-Spektroskopie mit langer Belichtungszeit zur Detektion von Zwischenprodukten sowie die Einzelschuss Raman- und Rayleigh-Spektroskopie zur erstmaligen Erfassung des thermochemischen Zustands in laminaren und turbulenten vorgemischten Ethanolflammen. Die Ergebnisse werden stets mit denen des etablierten Referenzkraftstoffs Methan verglichen. Zusätzlich werden mit eindimensionalen numerischen Flammenkalkulationen ergänzende Erkenntnisse gewonnen.

Wertvolle Erkenntnisse sind die deutliche Zunahme der Flammen-Verwinklung turbulenter Alkoholflammen beim Wechsel von mageren zu fetten Bedingungen und abnehmender Lewis-Zahl. Weiterhin können mit Hilfe qualitativer, hochauflösender Raman-Spektroskopie im Langzeitbelichtungsmodus die Zwischenprodukte Methan, Ethylen, Formaldehyd und Acetaldehyd in Ethanol- spwie Formaldehyd und Methan in OME-3/Luft-Flammen sichtbar gemacht werden. Zuletzt wird das Erfassen der thermochemischen Zustände in Ethanol/Luft-Flammen durch zwei entscheidende Innovationen ermöglicht: Erstens wird die Flachflamme in der Raman-Matrixinversions-Auswertung durch Gegenstrom-Zwillingsflammen ersetzt, wodurch die Beschränkung hinsichtlich vorverdampfter Kraftstoffe überwunden wird. Zweitens wird ein Ersatzsignal basierend auf Ethanol, Kohlenmonoxid und der Temperatur entwickelt, das bisher unzugängliche Zwischenprodukte in der Ethanol/Luft-Flammenfront effektiv reproduziert und damit die Bestimmung des thermochemischen Zustands mit erhöhter Genauigkeit ermöglicht.

Zusammenfassend hat diese Arbeit Brenner für vorverdampfte Brennstoffe hervorgebracht, Flammentopologien charakterisiert und die Raman- und Rayleigh-Flammenspektroskopie und deren Datenauswertung vorangebracht. Diese Leistungen tragen zum Verständnis der Biokraftstoff- und E-Fuel Verbrennung bei, spielen eine entscheidende Rolle bei der Validierung numerischer Modelle und fördern damit den Einsatz erneuerbarer Kraftstoffe im Übergang zu nachhaltiger Energie.

Deutsch
Freie Schlagworte: Raman und Rayleigh Spektroskopie, Biokraftstoffe, komplexe Brennstoffe, Ethanol-Verbrennung, Flammentopologie
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-264917
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM)
Hinterlegungsdatum: 24 Jan 2024 13:12
Letzte Änderung: 25 Jan 2024 06:24
PPN:
Referenten: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Geyer, Prof. Dr. Dirk
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 27 Juli 2023
Export:
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