University of Groningen Experimental study of the structure of

University of Groningen
Experimental study of the structure of laminar axisymmetric H2/air diffusion flames
Toro, Vishal Vijay
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2006
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Toro, V. V. (2006). Experimental study of the structure of laminar axisymmetric H2/air diffusion flames s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
Samenvatting
Dit proefschrift beschrijft experimentele onderzoek naar de structuur van
laminaire axisymmetrische waterstof diffusievlammen. De motivatie voor dit
onderzoek vloeit voort uit de groeiende vraag naar duurzame energie en steeds
strengere milieueisen. De schone verbranding van waterstof en de mogelijkheid om
waterstof te gebruiken als duurzame energiedrager maken waterstof een goede
kandidaat voor de toekomst. Daarnaast vertonen waterstof vlammen interessante
eigenschappen als gevolg van “finite-rate” chemie, thermodiffusie en grote verschillen
in diffusie coëfficiënten tussen waterstof en andere moleculen. Veel onderzoek zal
nodig zijn om de structuur van waterstof diffusievlammen te doorgronden in
praktische apparatuur, waar complexe meerdimensionale turbulent stroming
gekoppeld is aan complexe chemie. Het analyseren van de structuur van de
modelvlammen beschreven in dit proefschrift kan inzicht verschaffen in het gedrag
van praktische systemen. Het bestuderen van stationaire laminaire vlammen geeft ook
de mogelijkheid om de experimentele resultaten met theoretische voorspellingen te
vergelijken.
Om inzicht te verkrijgen in de vlamstructuur moeten de ruimtelijke verdelingen
van veel parameters, zoals de concentraties van chemische componenten, de
temperatuur en de gassnelheid, bekend zijn. De voortgang die geboekt is op de
gebieden van “niet-invasieve” laserdiagnostiek en numerieke simulatie stelt ons in
staat om de details van de structuur van diffusievlammen te verkrijgen. In dit
proefschrift (zoals beschreven in Hoofdstuk 2) zijn de chemische hoofdcomponenten
in diffusievlammen gemeten door gebruik te maken van spontane Ramanverstrooing,
de temperaturen zijn gemeten met behulp van zowel “coherent anti-Stokes Raman
scattering” (CARS) als de Ramanmetingen, en OH moleculen zijn gemeten door
middel van laser geïnduceerde fluorescentie (LIF). De Ramandata zijn gemeten in een
lijn langs de laserbundel, en geven een ruimtelijke resolutie van ∼ 0.2 mm, terwijl de
CARS-metingen waren uitgevoerd met een typische ruimtelijke resolutie van ∼1 mm.
De LIF-techniek was gebruikt in het lineaire regime en de verkregen ruimtelijke
resolutie was ∼ 0.5 mm.
Hoofdstuk 3 van het proefschrift beschrijft de procedures waarmee
kwantitatieve informatie verkregen wordt uit de spontane Raman- en LIF-metingen.
Fitten van het gemeten Ramanspectrum vereenvoudigt de experimentele procedure
aanzienlijk: slechts één dagelijkse calibratiemeting van het Ramansignaal was nodig.
De nauwkeurigheid van de Ramanmetingen is beter dan 10% (relatief) voor de
137
Samenvatting
hoofdcomponenten met molfracties ≥ 0.1, en 0.01 molfractie (absoluut) voor lagere
concentraties. De temperaturen verkregen uit de Ramanmetingen in voorgemengde
methaan/lucht en waterstof/lucht vlammen komen uitstekend overeen met die, die
verkregen zijn met behulp van CARS; tussen beide is een verschil van maximaal 50 K
gemeten. De zeer goede overeenkomst tussen de berekende evenwichtssamenstelling
en –temperatuur, en de resultaten verkregen uit het fitten van de experimentele spectra
met verschillende signaal/ruisverhoudingen, wijzen erop dat de fitcode met goed
resultaat gebruikt kan worden zelfs bij kwalitatief minder goede spectra. De LIF-data
in de diffusievlammen zijn gekwantificeerd door directe absorptiemetingen in een
calibratievlam en gecorrigeerd voor de temperatuur- en botsingsafhankelijke factoren
gebaseerd op de CARS- en Ramanmetingen. De ruis in de door Ramanverstrooing
verkregen concentratieprofielen, die gebruikt is om de correctie factoren te bepalen,
droeg substantiële bij aan de ruis in de LIF-resultaten.
Hoofdstuk 4 concentreert zich op de experimentele studie van laminaire
axisymmetric coflow H2/luchtvlammen, waarbij de ruimtelijke profielen van de
hoofdcomponenten en temperatuur worden gepresenteerd, die verkregen zijn met resp.
Ramanverstrooing
en
CARS.
De
uitstekende
overeenkomsten
tussen
de
temperatuurprofielen bepaald uit de fit van de Ramanspectra en de CARS-metingen
geven extra vertrouwen in de procedure voor de behandeling van de Ramandata,
alsook in de symmetrie van de vlammen. In de gemeten radiale profielen is een
significante “spreiding” van de vlam waargenomen, die veroorzaakt wordt door de
sterke radiale diffusie van de brandstof. In geen van de experimenten naderde de
gemeten temperatuur de maximum temperatuur bij adiabatische evenwicht.
Vergelijking van de experimentele temperaturen met die bij adiabatische evenwicht,
waarbij de elementsamenstelling van de gemeten data gebruikt was als input voor de
evenwichtsberekening, laten zien dat men rekening moet houden met het effect van
differentiële moleculaire diffusie van de verschillende componenten bij het berekenen
van
de
evenwichtstoestand.
Terwijl
dit
effect
verlaagde
de
berekende
vlamtemperatuur, was deze verlaging niet groot genoeg om het verschil met de
metingen bij locale equivalentie verhoudingen groter dan 0.9 tot nul te reduceren.
Zoals best te zien is in de axiale temperatuurprofielen, geeft het meenemen van
differentiële diffusie in de evenwichtsberekening wel excellente overeenkomst met de
metingen bij armere equivalentieverhoudingen. Deze overeenkomst stroomafwaarts
van de positie van maximum temperatuur geeft aan dat warmteverliezen door straling
verwaarloosbaar zijn in de bestudeerde vlammen. Het elimineren van differentiële
diffusie en warmteverliezen door straling als oorzaken van de grote waargenomen
138
Samenvatting
verschillen in de berekende en gemeten temperaturen wijzen erop dat de bron van
deze verschillen elders gezocht moet worden. Significante niet-evenwichtse
radicalenconcentraties en radiale warmtegeleiding hebben mogelijke bijgedragen tot
de verlaagde gemeten piek temperaturen in deze vlammen.
Hoofdstuk 5 presenteert een gecombineerd experimentele en numerieke studie
van de verdeling van hoofdcomponenten en temperatuur in diffusievlammen met
stikstofverdunde H2 als brandstof. De toevoeging van N2 in de brandstof
minimaliseerde de gradiënten in de temperatuur- en concentratieprofielen bij de
uitstroomopening van de brander, om de experimentele inlaatcondities beter te laten
overeenkomen met die van de numerieke simulaties. Normaal gesproken is
thermodiffusie van lichte H2-moleculen in gebieden met steile gradiënten in
temperatuur significant. Toevoeging of verwaarlozen van dit effect in de berekeningen
van vlamstructuur heeft grote invloed op de berekende resultaten. In de onderzochte
axiale en radiale profielen worden de piek molfracties en temperaturen kwantitatief
voorspeld, en de axiale concentratieprofielen zijn voorspeld binnen de experimentele
onzekerheid. De berekende radiale profielen zijn doorgaans breder dan gemeten.
Specifiek is de “brandstofrijke” binnenkant van de jet kwantitatief voorspeld, terwijl
beide modellen voorspellen te weinig menging aan de “brandstofarme” kant van de
jet. Het verschil tussen de gemeten en berekende resultaten aan de brandstof arme kant
is groter in het model met thermodiffusie. Echter, de relatieve verschillen die
waargenomen
zijn,
zijn
nooit
meer
dan
25%.
Het
variëren
van
de
transporteigenschappen van H en H2, en van de uitstroomsnelheden van brandstof of
lucht, geven geringe veranderingen in de basis oplossingen. Dit suggereert dat er
andere oorzaken zijn voor de verschillen met de metingen. Interessant is dat beide
modellen in staat zijn om de complexe niet-monotone profielen van N2, die
veroorzaakt worden door de combinatie van differentiaal transport en chemische
reactie, goed te reproduceren. De voorspelde axiale temperaturen stroomafwaarts van
het maximum zijn significant hoger dan de metingen. De waargenomen verschillen
tussen metingen en berekeningen worden toegeschreven aan resterende verschillen in
randvoorwaarden tussen experiment en simulatie.
Hoofdstuk 6 is gewijd aan de analyse van vorming en consumptie van OHradicalen in de pure en N2-verdunde waterstofvlammen. Goede overeenkomst is
gevonden tussen de gemeten OH-molfracties en de berekende waarden die uit de
simulaties van de N2-verdunde vlammen zijn verkregen die in Hoofdstuk 5 zijn
beschreven. Net als de resultaten verkregen voor de profielen van de temperatuur en
de hoofdcomponenten in Hoofdstuk 5, geeft het model zonder thermodiffusie beter
139
Samenvatting
overeenkomst met de gemeten OH-profielen dan het model met thermodiffusie.
Analyse van de resultaten uitgevoerd voor de H2/N2 vlammen laat zien dat het
aannemen van volledig evenwicht leidt tot voorspelde OH-molfracties die overal te
laag zijn, terwijl de aanname van “gedeeltelijk” evenwicht structurele een te hoge OHmolfractie voorspelt. Door de vergelijking tussen de berekende en gemeten OHmolfracties in de vlammen van puur waterstof wordt het belang van differentieel
transport bij het berekenen van chemisch evenwicht opnieuw geïllustreerd. De
resultaten tonen aan dat zowel “finite-rate” chemie als differentiële moleculaire
diffusie verantwoordelijk zijn voor het verlagen van de vlamtemperatuur onder de
waarde verkregen bij adiabatisch evenwicht wanneer gelijke moleculaire diffusiviteit
wordt aangenomen.
140