Chemiluminescense for flame control António Miguel Henriques

107 Pages·2011·5.09 MB·English

Chemiluminescense for flame control
António Miguel Henriques
Dissertação para obtenção do grau:
Mestre em Engenharia Aeroespacial
Júri
Presidente: Prof. Doutor Fernando José Lau
Orientador: Prof. Doutor Edgar Caetano Fernandes
Vogal: Prof. Doutor Mário Manuel Costa
Dezembro 2011

Resumo
Apresentetese aborda o processo de desenho, construção, optimização e teste de
um sensor de quimiluminescência, no contexto do desenvolvimento de tecnolo-
gias de controlo de combustão. O protótipo desenvolvido neste trabalho adquire a luz
emitida pelos radicais excitados OH* e CH*, de forma a explorar a dependência da re-
lação OH∗/CH∗ = f(φ) com os sistemas de colecção de luz (na óptica de utilização não
intrusiva em motores turbofan) e com a deformação temporal da chama (imposta para
simular condições turbulentas). Para os testes utilizou-se uma chama de propano tipo
Bunsen,comrazõesdeequivalênciadeφ=[0.861.1],ecomapossibilidadedesedefor-
maracusticamenteatravésdeumpulsosinusoidaldeamplitudevariável(∆V =[00.045]
V a 50 Hz). Nestas condições, foi possível concluir que OH∗ /CH∗ = f(φ) não é
médio médio
afectadapeladeformaçãoequeaemissãodequimiluminescêncialocalpoderádepender
da deformação da chama. A evolução temporal de OH∗/CH∗ foi usada como entrada
nummecanismosimuladodecontrolodecombustão,doqualsemostrouqueosmodelos
decontrolobaseadosnaquimiluminescênciamédiapoderãosobrestimarousubestimaro
razãodeequivalênciadachamaduranteoseuperíododeactuação.
Palavras-chave: Quimiluminescência, combustão pobre, fotomultiplicadores, controlo
dechama,turbofan.
iii

Abstract
T
heaim of this thesis was to design, construct, optimize and test a chemilumines-
cencesensor,inthecontextofleancombustioncontroltechnology. Thedeveloped
prototype collects light from OH* and CH* species, in order to evaluate the dependence
of the OH∗/CH∗ = f(φ) relation with the optical collecting systems (in the context of
non-intrusive measurements in turbofan engines) and with the temporal flame deforma-
tion(imposedtosimulateturbulentconditions). ForthetestsapropaneBunsenflamewas
used,withequivalenceratiosofφ=[0.861.1]andwiththepossibilitytoacousticallyvary
thesuppliedmixturespeed(sinusoidamplitude∆V =[00.045]Vat50Hz)forcontrolled
flame deformations. With this setup it was possible to conclude that OH∗ /CH∗
mean mean
= f(φ) is not affected by flame deformation and that local chemiluminescence may be
dependent on flame deformation. OH∗/CH∗ time evolution was used in a simulated
combustion control mechanism, from which it was shown that control models, based in
mean chemiluminescence measurements, may overestimate or underestimate real flame
equivalenceratio.
Keywords: Chemiluminescence, lean combustion, photomultipliers, flame control, tur-
bofan.
v

Acknowledgements
I
wouldlike to express my utmost gratitude to Professor Edgar Fernandes. If I was
going to detail why I should thank him, I would have more pages of gratifications
thanpagesofwork.
Then, it is important clarify one thing: I could have never walked through this journey
without my Friends. I believe that some how, the right friends, in the right place, at the
righttime,willtakeyourideastoanywhere.
ToFamily,towhomIoweeverythingIam,Idedicatethiswork.
"Istovaisersóumacaixaparaapontarparaachama,ejáestá!"
vii

Contents
Resumo iii
Abstract v
Acknowledgements vii
Listoftables xi
Listoffigures xvi
Listofsymbols xx
1 Introduction 1
1.1 LiteratureReview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 Chemiluminescenceforcombustioncontrol . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 Chemiluminescenceapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 ThesisObjective,ContributionandOutline . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 ExperimentalMethods 21
2.1 ChemiluminescenceSensorDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 DataAcquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
ix
2.3 PrototypeTesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 BurningSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 MeasurementAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 CaseStudy 49
3.1 Experimentalanalysisofsteadyflame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Experimentalanalysisofunsteadyflames . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Experimentalanalysisofunsteadyflames . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 ConclusionsandFutureWork 79
Bibliography 87
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