Laser Diagnostics Applied to Lean Premixed Swirling Flames - Simultaneous Flow Field and Scalar Measurements

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Den värld vi lever i drivs till stora delar av förbränning. Det mesta vi gör kräver energi, elektricitet för matlagning och bensin eller diesel för transporter. Sett över hela världen kommer den största delen av den energi som förbrukas från förbränning. Främst är det fossila bränslen, olja och kol, som används, men en ökande del kommer från förnyelsebara bränslen. Vid förbränning bildas olika miljöfarliga ämnen såsom kväveoxider, svaveloxider, kolmonoxid och oförbrända kolväten. Dessa ämnen kan ge upphov till försurning, smog, och skador på ozonlagret. Vissa ämnen, speciellt koldioxid, bidrar till växthuseffekten som gradvis höjer medeltemperaturen på jorden. Kväveoxider bildas vid all förbränning i luft vid hög temperatur, oberoende av bränslets kemiska sammansättning. Utsläppen av dessa ämnen kan minskas genom att sänka temperaturen under förbränning. En etablerad metod för att åstadkomma detta är att använda en luft-bränsleblandning med ett stort överskott på luft. Önskvärt är att optimera förbränningsprocessen så att en så låg temperatur som möjligt erhålls, samtidigt som förbränningen hålls stabil. För att studera detta krävs experiment. I avhandlingen används laserdiagnostik för att studera de kemiska och fysikaliska processer som styr förbränningsprocesser. Laserbaserade mätmetoder stör inte de observerade processerna då inga fysiska mätprober används. Laserljus passerar genom förbränningszonen och mätsignalen samlas in med känsliga kameror. I den mätmetod som främst använts för att karakterisera flödesfält används korta laserpulser som ”fotoblixtar”. Laserljuset passerar optik som skapar ett tunt laserark som lyser upp den del av flödesfältet som ska studeras. Små partiklar, som blandas in i gasflödet, fungerar som flödesmarkörer. För att hastigheten ska kunna bestämmas tas två bilder med ett avpassat tidsavstånd så att partiklarna hinner flytta sig en kort sträcka. Genom att jämföra partikelmönstret i de två efterföljande bilderna kan medelförflyttningen av partiklar inom små områden beräknas. Genom detta kan hastighetsvektorer beräknas och en ögonblicksbild av hela flödesfältet byggas upp. I avhandlingen demonstreras även att man med fyra kameror som avbildar en volym med partiklar, upplysta av laserljus, gör det möjligt att ta fram det tre-dimensionella flödesfält. Detta görs i flera steg; först avbildas partiklarna i volymen från fyra håll, genom informationen i de erhållna bilderna återskapas den avbildade volymen digitalt, sedan kan flyttningen av partiklar inom små områden mellan två efterföljande rekonstruktioner beräknas och hastighetsvektorer presenteras. För att visualisera flamfronten i de flammor som studerats används också en laserbaserad teknik. Eftersom olika ämnen absorberar olika våglängder kan man välja vilket ämne man vill studera. Ämnet som absorberar laserljusets våglängd exciteras och sänder ut ljus med specifika våglängder som kallad fluorescens. Hydroxylradikaler, OH, bildas i regioner med högtemperaturreaktioner. I de undersökta flammorna kan områden med bränt och obränt separeras genom fördelningen av OH och flamfronten kan definieras av en linje mellan dessa två områden. Genom kombinerade mätningar av flödesfältet och flamfrontens position går det att undersöka hur virvlar som finns i turbulenta flöden påverkar flamfrontens rörelse och karaktär. Speciella laser- och kamera system som kan ta många tusen bilder per sekund krävs för att följa förbränningsförloppet. I Lund har vi haft möjlighet att genomföra sådana tidsupplöst mätningar och skapa filmsekvenser där inverkan av turbulenta virvlar på flamfronters dynamik tydligt kan studeras. Kunskapen om samverkan mellan flödesfält och förbränning är mycket viktigt för att utveckla och förbättra förbränningsapparater för att minska negativ miljö- och klimatpåverkan från förbränning. Som ett steg att utveckla mätmetoder för mätning av flödesfält samtidigt med skalära storheter genomfördes försök med termografiska fosforer i gasflöden. Dessa fosforer är små temperaturkänsliga partiklar som i de aktuella försöken även fungerade som flödesmarkörer. Försöken visade på goda möjligheter för en fortsatt utvecklingen av tekniken för användning inom förbränningsstudier. För utveckling av nya brännare används avancerade simuleringsverktyg. Med hjälp av förenklade beskrivningar av de kemiska och fysikaliska processer som sker vid förbränning kan simuleringar allt bättre beräkna förloppet av förbränningsprocesser i industriella brännare. För att detta skall fungera krävs att simuleringar först jämförs mot experimentdata för att kontrollera att modellerna ger rätt resultat. I denna doktorsavhandling har viktiga parametrar för validering av simuleringar samlats in för olika förblandade flammor med hjälp av laserdiagnostik.