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Flame-Wall Interactions at Elevated Pressure Studied with Advanced Laser Diagnostics

Johe, Pascal (2024)
Flame-Wall Interactions at Elevated Pressure Studied with Advanced Laser Diagnostics.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027359
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Despite the ongoing progress in electrification driven by the indispensable substitution of fossil fuels with renewable energy sources, the thermochemical conversion of chemical energy carriers is expected to continue playing an important role in the energy transition. This underlines the necessity for continual development of low-emission combustion technologies, grounded in a comprehensive understanding of the underlying physical processes through ongoing fundamental research efforts. Within this cumulative dissertation, the complex phenomenon of flame-wall interaction (FWI), which is an essential aspect of practical combustion systems, is investigated experimentally using advanced laser diagnostics. FWI involves the mutual interaction between chemical reaction, solid surface and fluid flow and is associated with undesired effects, such as reduced efficiency and increased pollutant emissions. The main objective of this thesis, which includes three peer-reviewed publications, is the investigation of fundamental aspects of FWI at elevated pressures and increased Reynolds numbers, mimicking operating conditions of practical combustion systems. Experiments are carried out within a novel, enclosed test rig - the pressurized side-wall quenching (SWQ) burner - which provides a reproducible, generic configuration of a premixed flame interacting with a cold, solid wall. This test rig was designed, built and commissioned within the scope of this thesis and is presented in detail. The process under investigation is examined at operating pressures ranging between atmospheric and 5 bar absolute and Reynolds numbers up to 20,000 using various laser diagnostics. Limitations of such measurement techniques resulting from the complex test rig design and process-inherent challenges arising with increasing pressure are reported. First, a characterization of the turbulent flow field and the combustion dynamics is conducted using velocity data and spatial fields of the instantaneous flame front positions, provided by high-speed and low-speed particle image velocimetry measurements and planar, laser-induced fluorescence of the hydroxyl radical (OH-PLIF). This involves the inspection of the inflow and the near-wall flow field under non-reacting and reacting conditions, as well as the examination of the transient flame front motion. Building on this, turbulent flame propagation close to the wall is further analyzed in terms of the flame surface density (FSD), a central quantity in numerical combustion modeling, which is derived from measured flame front positions (OH-PLIF) following two common approaches. Furthermore, the near-wall thermochemistry of the turbulent flame quenching process is explored through simultaneous measurements of the gas-phase temperature and mole fractions of CO2 and CO by means of dual-pump coherent anti-Stokes Raman spectroscopy and laser-induced fluorescence of CO. These measurements represent the first reported attempt to investigate the thermochemistry of FWI at pressures above atmospheric by means of multi-parameter laser diagnostics. This cumulative dissertation presents novel insights into the impact of elevated pressure and increased Reynolds numbers on turbulent FWI and provides experimental data for model validation. It furthermore, contributes to the FWI research community by exploring the limits of state-of-the-art laser diagnostics for measurements in pressurized, near-wall reactive flows.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Johe, Pascal
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Flame-Wall Interactions at Elevated Pressure Studied with Advanced Laser Diagnostics
Sprache: Englisch
Referenten: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Geyer, Prof. Dr. Dirk
Publikationsjahr: 21 Juni 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xi, 112 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 23 April 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027359
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27359
Kurzbeschreibung (Abstract):

Despite the ongoing progress in electrification driven by the indispensable substitution of fossil fuels with renewable energy sources, the thermochemical conversion of chemical energy carriers is expected to continue playing an important role in the energy transition. This underlines the necessity for continual development of low-emission combustion technologies, grounded in a comprehensive understanding of the underlying physical processes through ongoing fundamental research efforts. Within this cumulative dissertation, the complex phenomenon of flame-wall interaction (FWI), which is an essential aspect of practical combustion systems, is investigated experimentally using advanced laser diagnostics. FWI involves the mutual interaction between chemical reaction, solid surface and fluid flow and is associated with undesired effects, such as reduced efficiency and increased pollutant emissions. The main objective of this thesis, which includes three peer-reviewed publications, is the investigation of fundamental aspects of FWI at elevated pressures and increased Reynolds numbers, mimicking operating conditions of practical combustion systems. Experiments are carried out within a novel, enclosed test rig - the pressurized side-wall quenching (SWQ) burner - which provides a reproducible, generic configuration of a premixed flame interacting with a cold, solid wall. This test rig was designed, built and commissioned within the scope of this thesis and is presented in detail. The process under investigation is examined at operating pressures ranging between atmospheric and 5 bar absolute and Reynolds numbers up to 20,000 using various laser diagnostics. Limitations of such measurement techniques resulting from the complex test rig design and process-inherent challenges arising with increasing pressure are reported. First, a characterization of the turbulent flow field and the combustion dynamics is conducted using velocity data and spatial fields of the instantaneous flame front positions, provided by high-speed and low-speed particle image velocimetry measurements and planar, laser-induced fluorescence of the hydroxyl radical (OH-PLIF). This involves the inspection of the inflow and the near-wall flow field under non-reacting and reacting conditions, as well as the examination of the transient flame front motion. Building on this, turbulent flame propagation close to the wall is further analyzed in terms of the flame surface density (FSD), a central quantity in numerical combustion modeling, which is derived from measured flame front positions (OH-PLIF) following two common approaches. Furthermore, the near-wall thermochemistry of the turbulent flame quenching process is explored through simultaneous measurements of the gas-phase temperature and mole fractions of CO2 and CO by means of dual-pump coherent anti-Stokes Raman spectroscopy and laser-induced fluorescence of CO. These measurements represent the first reported attempt to investigate the thermochemistry of FWI at pressures above atmospheric by means of multi-parameter laser diagnostics. This cumulative dissertation presents novel insights into the impact of elevated pressure and increased Reynolds numbers on turbulent FWI and provides experimental data for model validation. It furthermore, contributes to the FWI research community by exploring the limits of state-of-the-art laser diagnostics for measurements in pressurized, near-wall reactive flows.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Trotz der fortschreitenden Elektrifizierung, angetrieben durch die unverzichtbare Substitution fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen, wird der thermochemischen Umwandlung chemischer Energieträger weiterhin eine wichtige Rolle innerhalb der Energiewende zugeschrieben. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Entwicklung emissionsarmer Verbrennungstechnologien auf der Grundlage eines umfassenden Verständnisses der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse durch fortwährende Grundlagenforschung. Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation wird das komplexe Phänomen der Flammen-Wand-Interaktion (FWI), welches ein wesentlicher Aspekt praktischer Verbrennungssysteme ist, experimentell mit Hilfe moderner Laserdiagnostik untersucht. Bei der FWI handelt es sich um die gegenseitige Wechselwirkung zwischen chemischer Reaktion, Festkörperoberfläche und Gasströmung, die mit unerwünschten Effekten, wie vermindertem Wirkungsgrad und erhöhten Schadstoffemissionen, einhergeht. Das Hauptziel dieser Arbeit, die drei begutachtete Veröffentlichungen umfasst, ist die Untersuchung grundlegender Aspekte von FWI bei praxisrelevanteren Bedingungen, wie erhöhten Drücken und erhöhten Reynoldszahlen. Die Experimente wurden in einem neuartigen, geschlossenen Prüfstand - dem pressurized side-wall quenching (SWQ) burner - durchgeführt, der eine reproduzierbare, generische Konfiguration einer vorgemischten Flamme in Wechselwirkung mit einer kalten, festen Wand bietet. Dieser Prüfstand wurde im Rahmen dieser Arbeit entworfen, gebaut und in Betrieb genommen und wird im Detail vorgestellt. Der Flammenlöschprozess wird bei Betriebsdrücken zwischen atmosphärisch und 5 bar absolut und Reynoldszahlen bis zu 20.000 mit verschiedenen Laserdiagnoseverfahren untersucht. Die Grenzen solcher Messtechniken für die Untersuchung dieses Prozesses, welche sich aus dem komplexen Aufbau des Prüfstandes und aus prozessimmanenten Herausforderungen bei steigendem Druck ergeben, sind in dieser Arbeit dokumentiert. Zunächst erfolgt eine Charakterisierung des turbulenten Strömungsfeldes und der Verbrennungsdynamik anhand von Geschwindigkeitsdaten und räumlichen Feldern der instantanen Flammenfrontpositionen, die durch Particle Image Velocimetry-Messungen und planare, laserinduzierte Fluoreszenz des Hydroxylradikals (OH-PLIF) bereitgestellt werden. Dies beinhaltet die Untersuchung der Einströmung und des wandnahen Strömungsfeldes unter nicht-reagierenden und reagierenden Bedingungen sowie die Untersuchung der transienten Flammenfrontbewegung. Darauf aufbauend wird die turbulente Flammenausbreitung in Wandnähe anhand der Flammenflächendichte, einer zentralen Größe in der numerischen Verbrennungsmodellierung, weiter analysiert, die aus gemessenen Flammenfrontpositionen (OH-PLIF) nach zwei gängigen Ansätzen abgeleitet wird. Darüber hinaus wird die wandnahe Thermochemie des turbulenten Flammenlöschprozesses durch gleichzeitige Messungen der Gasphasentemperatur und der Molenbrüche von CO2 und CO mit Hilfe der dual-pump kohärenten Anti-Stokes Raman-Spektroskopie und der laserinduzierten Fluoreszenz von CO untersucht. Diese Messungen stellen die erste dokumentierte Bestrebung dar, die Thermochemie von FWI bei erhöhten Drücken mit Hilfe von Multi-Parameter-Laserdiagnostiken zu untersuchen. Diese kumulative Dissertation präsentiert neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von erhöhtem Druck und erhöhten Reynoldszahlen auf turbulente FWI und liefert experimentelle Daten zur Modellvalidierung. Darüber hinaus leistet sie einen Beitrag zur FWI-Forschung, indem sie die Grenzen moderner Laserdiagnostik für wandnahe Messungen in reaktiven Strömungen bei erhöhten Drücken auslotet.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-273590
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: 21 Jun 2024 12:02
Letzte Änderung: 24 Jun 2024 05:44
PPN:
Referenten: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Geyer, Prof. Dr. Dirk
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 April 2024
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