Turbulence generation and control for flame speed measurements
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
62
Series
Abstract
Turbulence plays a crucial role in combustion research as it directly affects flame speed, stability, and efficiency in engines. Fan-stirred constant-volume chambers have become a widely used method to study these effects under controlled conditions. However, many existing systems cannot operate at both high pressure and temperature while maintaining homogeneous and isotropic turbulence (HIT). This thesis developed, built and tested a turbulence generation and measurement system in Wärtsilä’s Optical Spray Combustion Chamber (OSCC) to determine whether it is possible to achieve HIT suitable for flame-speed studies. In addition, a laser-based ignition system was developed to allow for non-intrusive ignition in future combustion measurements. A configuration consisting of four BLDC-motor driven fans was developed together with ten variations of impellers. Additionally, an optical Particle Image Velocimetry (PIV) measurement system, a custom seeding system and a laser-based ignition setup were built. Cold-flow experiments were performed for 28 test points. The PIV measurements were used to derive mean and RMS velocities, turbulence intensity, homogeneity and isotropy. The laser ignition unit was separately tested. The experimental setup operated without issues and reached a maximum turbulence intensity of 4.7 m/s, confirming the functionality of the system. However, mean-flow levels were higher than the limits set for HIT, and the system lacked a well-defined central area with homogeneity and isotropy. Thus, Only three out of the 28 test points produced central regions that fulfilled the defined HIT conditions. A successful proof-of-concept was therefore demonstrated by the developed system rather than a fully functional HIT chamber. The laser ignition system functioned as intended, although occasional multiple ignition points occurred if the laser power was too high. The thesis verifies that the developed system for the OSCC can generate and measure turbulence and successfully integrate laser ignition but requires further refinement before it is possible to perform accurate flame-speed measurements. Recommended improvements include ensuring chamber symmetry, optimizing impeller geometry and improving the seeding and optical system. The setup provides a solid foundation for future high-pressure turbulent flame-speed and combustion experiments at Wärtsilä.Turbulens spelar en avgörande roll för forskning inom förbränning eftersom den direkt påverkar flamhastigheten, stabilitet och verkningsgrad i motorer. Optiska förbränningskammare med konstant volym och fläktgeneread turbulens används ofta för att studera dessa effekter under kontrollerade förhållanden. Många befintliga system kan dock inte verka vid både högt tryck och hög temperatur samtidigt som de upprätthåller homogen och isotrop turbulens (HIT). I detta examensarbete utvecklades, byggdes och testades ett system för generering och mätning av turbulens i Wärtsiläs optiska förbränningskammare (Optical Spray Combustion Chamber, OSCC) för att undersöka om det är möjligt att uppnå HIT som är lämplig för studier av flamshastighet. Ett laserbaserat tändsystem utvecklades även för att möjliggöra tändning av gaser utan fysiska tändstrukturer i kammaren. Systemet bestod av fyra fläktar med BLDC-motorer och tio impellervarianter. Dessutom byggdes ett optiskt mätsystem baserat på Particle Image Velocimetry (PIV) samt ett system för att inducera partiklar i kammaren. Experiment utfördes för 28 testpunkter, där PIV-mätningarna användes för att bestämma medel- och RMS-hastigheter, turbulensintensitet, homogenitet och isotropi. Det laserbaserade tändsystemet testades separat. Den experimentella uppställningen fungerade som avsett och uppnådde en maximal turbulensintensitet på 4,7 m/s, vilket bekräftade systemets funktionalitet. Medelflödesnivåerna var dock högre än de definerade gränserna för HIT, och ett tydligt homogent och isotropt centrum saknades. Endast tre av de 28 testpunkterna uppfyllde HIT-villkoren, vilket innebär att arbetet demonstrerade ett bevis av konceptet snarare än en fullt fungerande HIT-kammare. Det laserbaserade tändsystemet fungerade väl, men multipla tändpunkter uppstod vid för hög laserstyrka Examensarbetet visar att det utvecklade systemet för OSCC kan generera och mäta turbulens samt integrera laserbaserad tändning, men att optimering krävs innan det är möjligt att utföra noggranna mätningar av flamhastighet. Rekommenderade förbättringar inkluderar att säkerställa kammarens symmetri, optimera impellergeometrin samt förbättra hur partiklarna induceras och optiksystemet. Arbetet utgör en grund för framtida experiment av turbulent flamhastighet och förbränning vid Wärtsilä.Description
Supervisor
Kaario, OssiThesis advisor
Cheng, QiangHyvönen, Jari