LAMINAR AND TURBULENT STUDY OF COMBUSTION IN STRATIFIED ENVIRONMENTS USING LASER BASED MEASUREMENTS

Practical gas turbine engine combustors create extremely non-uniform flowfields, which are highly stratified making it imperative that similar environments are well understood. Laser diagnostics were utilized in a variety of stratified environments, which led to temperature or chemical composition gradients, to better understand autoignition, extinction, and flame stability behavior. This work ranged from laminar and steady flames to turbulent flame studies in which time resolved measurements were used. Edge flames, formed in the presence of species stratification, were studied by first developing a simple measurement technique which is capable of estimating an important quantity for edge flames, the advective heat flux, using only velocity measurements. Both hydroxyl planar laser induced fluorescence (OH PLIF) and particle image velocimetry (PIV) were used along with numerical simulations in the development of this technique. Interacting triple flames were also created in a laboratory scale burner producing a laminar and steady flowfield with symmetric equivalence ratio gradients. Studies were conducted in order to characterize and model the propagation speed as a function of the flame base curvature and separation distance between the neighboring flames. OH PLIF, PIV and Rayleigh scattering measurements were used in order to characterize the propagation speed. A model was developed which is capable of accurately representing the propagation speed for three different fuels. Negative edge flames were first studied by developing a one-dimensional model capable of reproducing the energy equation along the stoichiometric line, which was dependent on different boundary conditions. Unsteady and laminar negative edge flames were also simulated with periodic boundary conditions in order to assess the difference between the steady and unsteady cases. The diffusive heat loss was unbalanced with the chemical heat release and advective heat flux energy gain terms which led to the flame proceeding and receding. The temporal derivative balanced the energy equation, but also aided in the understanding of negative edge flame speeds. Turbulent negative edge flame velocities were measured for extinguishing flames in a separate experiment as a function of the bulk advective heat flux through the edge and turbulence level. A burner was designed and built for this study which created statistically stationary negative edge flames. The edge velocity was dependent on both the bulk advective heat flux and turbulence levels. The negative edge flame velocities were obtained with high speed stereo-view chemiluminescence and two dimensional PIV measurements. Autoignition stabilization was studied in the presence of both temperature and species stratification, using a simple laminar flowfield. OH and CH2O PLIF measurements showed autoignition characteristics ahead of the flame base. Numerical chemical and flow simulations also revealed lower temperature chemistry characteristics ahead of the flame base leading to the conclusion of lower temperature chemistry dominating the stabilization behavior. An energy budget analysis was conducted which described the stabilization behavior

Blowout Limits of Flames in High-Speed Airflows: Critical Damkohler Number

Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/76825/1/AIAA-2008-4571-208.pd

Investigation of Dimethyl Ether Combustion Instabilities in a Partially - Premixed Gas Turbine Model Combustor Using High-Speed Laser Diagnostics

Peer Reviewedhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/140412/1/6.2014-0660.pd

Experimental Characterization of Combustion Instabilities and Flow-Flame Dynamics in a Partially-Premixed Gas Turbine Model Combustor.

Partially-premixed, swirl combustion is applied in gas turbine combustors to achieve flame stabilization and reduced emission production. However, this method is also inherently sensitive to combustion instabilities which can cause large pressure, velocity, and heat release fluctuations. This thesis investigates thermoacoustic coupling created by flow-flame dynamics in a gas turbine model combustor (GTMC) for a variety of fuels and operating flow rates. Several naturally occurring instability modes were identified to control the acoustic response of the system, including Helmholtz resonances from the plenum and convective-acoustic effects which cause equivalence ratio oscillations. Laser Doppler velocimetry was used to measure radial flow in the GTMC, which can set up flow-fields which create loudly resonating flat-shaped flames, in comparison to quiet V-shaped flames. Flame location and shape altered convective time delays which determine the relative phases of pressure and heat release oscillations. Simultaneous pressure and chemiluminescence imaging showed that the heat release, pressure fluctuations, and flame motion are all coupled at the same instability frequency. Videos of the flame motion also revealed that the precessing vortex core (PVC), created by the swirling flow, influences the rocking behavior of the flame. Acetone was added to the fuel to act as a tracer in fluorescence measurements which indicated the localization of unburned fuel. It was discovered that fuel was distributed in lobes which corresponded to locations surrounding the shear layer outside of the central recirculation zone, and that the relative distribution of the lobes adjusted to forcing by the flow. Finally, high-speed formaldehyde planar laser-induced fluorescence was applied to study the motion of preheat zone surfaces in response to the oscillations of the instability. The flame surface density and wrinkling fluctuated at the acoustic frequency and displayed dampened motions correlated with the PVC precession. In non-resonating flames, the behavior of the formaldehyde structure and marked flame surfaces were dominated by the PVC motion, but the degree of surface area fluctuations was reduced compared to unstable flames. Instabilities in the GTMC are driven by a complex combination of thermoacoustic and flow-field couplings which are influenced by the operational conditions, fueling, mixing, and convective time delays.PhDAerospace EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/102385/1/pallison_1.pd

Entwicklung und Anwendung von Hochgeschwindigkeits-Lasermesstechnik zur Untersuchung von Selbstzündung

Selbstzündung ist ein komplexer Prozess, der in vielen technischen Systemen von großer Bedeutung ist. In Dieselmotoren und Motoren mit homogener Kompressionszündung wird die Verbrennung nicht durch eine externe Zündquelle wie eine Zündkerze, sondern durch Selbstzündung initiiert. In der Gasturbinenverbrennung kann Selbstzündung in Brennkammersystemen mit Rezirkulation zur Flammenstabilisierung beitragen, muss aber in Mischstrecken, z. B. bei der sequentiellen Verbrennung oder bei der mageren Vormischverbrennung, verhindert werden, um erhöhte Schadstoffemissionen sowie eine Beschädigung der Anlage zu vermeiden. Da Selbstzündung auf Zeitskalen im Millisekundenbereich abläuft, ist für experimentelle Untersuchungen eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich. Aufgrund der experimentellen Komplexität der Untersuchung von Selbstzündung sind Teilprozesse wie die Entstehung von Zündkernen bislang nicht ausreichend untersucht. Für die Validierung von numerischen Simulationen sind zudem quantitative Messdaten mit gut definierten Randbedingungen notwendig. Ziel dieser Arbeit war es daher, quantitative laseroptische Messtechniken mit hoher zeitlicher Auflösung sowie passende Datenauswertungsalgorithmen zur Untersuchung von Selbstzündung zu entwickeln. Da Selbstzündung extrem sensitiv auf Randbedingungen wie Temperatur oder lokale Gemischzusammensetzung reagiert, wurde ein Versuchsträger mit gut definierten und reproduzierbaren Randbedingungen, der DLR Jet-in-Hot-Coflow Brenner, entwickelt. Hier wird kalter Brennstoff (Methan oder Propan) mit einer Temperatur von 300K in das heiße, sauerstoffhaltige Abgas einer mageren Wasserstoff-Luft-Flamme, die auf einer wassergekühlten Sintermetallmatrix stabilisiert wird, eingedüst. Die Coflowtemperatur wurde über einen großen Bereich zwischen etwa 1280K und 1800K variiert. Der Brennstoff konnte sowohl kontinuierlich zur Untersuchung stationärer Flammen als auch transient zur Untersuchung der Bildung von Zündkernen eingedüst werden. Während eines Forschungsaufenthaltes an der Ohio State University wurden Temperatur, Mischungsbruch und der quadrierte Gradient des Mischungsbruchs als Maß für die skalare Dissipationsrate mit planarer Rayleigh-Streuung bei einer Pulswiederholrate von 10 kHz bestimmt. Am DLR Stuttgart wurden detaillierte Messungen von planarer laserinduzierter Fluoreszenz (PLIF) an OH bei 10 kHz Pulswiederholrate und OH-Chemolumineszenz (CL) bei 20 kHz Bildrate für eine Vielzahl von Coflowtemperaturen, sowie Coflow- und Jetgeschwindigkeiten durchgeführt. Für OH PLIF wurde ein Ansatz zur Quantifizierung des Messsignals entwickelt. Zur Analyse der Flammenstabilisierung und zur Erstellung eines Validierungsdatensatzes für numerische Simulationen wurden Messungen mit kontinuierlicher Brennstoffzufuhr durchgeführt. Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen von Temperatur und OH-Konzentration zeigten, dass die Flammenstabilisierung teilweise durch Selbstzündung erfolgt. OH CL-Messungen zeigten die Bildung und das Wachstum von Zündkernen unterhalb der Flammenwurzel, bis diese schließlich mit der Flammenwurzel verschmolzen. Die Abhebehöhe der Jetflamme reagierte äußerst sensitiv auf die Coflowtemperatur, je nach Temperaturbereich konnte eine Änderung der Temperatur von 5% (entspricht 80 K) zu einer Verdoppelung der Abhebehöhe führen. Die Abhebehöhe skalierte nahezu linear mit der Jetgeschwindigkeit, ein Einfluss der Coflowgeschwindigkeit auf die Abhebehöhe wurde nicht festgestellt. Um Entstehung und Wachstum von Zündkernen zu untersuchen, wurden Versuche mit transienter Brennstoffzufuhr durchgeführt. Der zeitliche Verlauf der Mischungsbruchfelder während der Brennstoffeindüsung wurde charakterisiert und erwies sich als sehr reproduzierbar. Der Brennstoffjet ging in einen stationären Zustand über, bevor erste Zündkerne auftraten. Um die räumliche Lage von Zündkernen rekonstruieren und somit bei der Anwendung planarer Messtechniken Zündkerne identifizieren und detailliert untersuchen zu können, die innerhalb der Messebene entstehen, wurde OH CL aus zwei Blickrichtungen aufgenommen. Zündkerne bildeten sich stromauf von Ausbuchtungen des Brennstoffjets, also in Gebieten, in denen eine niedrige skalare Dissipationsrate und eine erhöhte Aufenthaltszeit durch Wirbel erwartet werden. Die Coflowtemperatur sowie die Coflow- und Jetgeschwindigkeit beeinflussten Zündzeitpunkt und -höhe deutlich, wobei die Coflowtemperatur den stärksten Einfluss hatte. Zur Unterstützung der Interpretation der Messergebnisse wurden im Rahmen einer Kooperation am Karlsruher Institut für Technologie 1D-Simulationen von zündenden Grenzschichten in einer Gegenstromanordnung bei den hier untersuchten Randbedingungen durchgeführt und der Einfluss von Streckung auf die Selbstzündung bewertet. Zündung trat dabei in sehr mageren Bereichen beim reaktivsten Mischungsbruch auf, anschließend wanderte die Reaktionszone hin zu stöchiometrischen Mischungen, bei denen die Flammengeschwindigkeit maximal ist. Mit planaren Rayleigh-Messungen wurden die Bedingungen am Ort der Zündung analysiert und statistisch ausgewertet. Zündkerne bildeten sich bei sehr mageren Mischungsbrüchen und in Gebieten mit niedriger skalarer Dissipationsrate. Das Zündkernwachstum bei verschiedenen axialen Positionen, d. h. Positionen mit unterschiedlicher mittlerer skalarer Dissipationsrate, zeigte, dass die skalare Dissipationsrate nicht nur den Zündzeitpunkt und -ort, sondern auch das Zündkernwachstum beeinflusst. Erstmals konnte mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung die Entstehung von Zündkernen untersucht werden und daraus ein Bildungsmechanismus für Zündkerne abgeleitet werden. Weiterhin steht ein einzigartiger Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung

Turbulent Combustion Modelling and Experiments: Recent Trends and Developments

AbstractThe development of better laser-based experimental methods and the fast rise in computer power has created an unprecedented shift in turbulent combustion research. The range of species and quantities measured and the advent of kHz-level planar diagnostics are now providing great insights in important phenomena and applications such as local and global extinction, pollutants, and spray combustion that were hitherto unavailable. In simulations, the shift to LES allows better representation of the turbulent flow in complex geometries, but despite the fact that the grid size is smaller than in RANS, the push towards realistic conditions and the need to include more detailed chemistry that includes very fast species and thin reaction zones emphasize the necessity of a sub-grid turbulent combustion model. The paper discusses examples from current research with experiments and modelling that focus on flame transients (self-excited oscillations, local extinction), sprays, soot emissions, and on practical applications. These demonstrate how current models are being validated by experimental data and the concerted efforts the community is taking to promote the modelling tools to industry. In addition, the various coordinated International Workshops on non-premixed, premixed, and spray flames, and on soot are discussed and some of their target flames are explored. These comprise flames that are relatively simple to describe from a fluid mechanics perspective but contain difficult-to-model combustion problems such as extinction, pollutants and multi-mode reaction zones. Recently, swirl spray flames, which are more representative of industrial devices, have been added to the target flames. Typically, good agreement is found with LES and some combustion models such as the progress variable - mixture fraction flamelet model, the Conditional Moment Closure, and the Transported PDF method, but predicting soot emissions and the condition of complete extinction in complex geometries is still elusive.</jats:p