Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11900
Title: Διερεύνηση του θερμοροϊκού πεδίου συστήματος πολύδισκου αναμείκτη-καυστήρα υπό συνθήκες μερικής προανάμειξης καυσίμου-αέρα με χρήση οπτικών μεθόδων (PIV)
Other Titles: Investigation of the flow field of a mixer-burner system under fuel-air partially premix conditions using optical methods (PIV)
Authors: Περράκης, Κυριάκος
Keywords: Καύση
Τύρβη
Φλόγα
Keywords (translated): Combustion
Turbulence
Flame
PIV
Abstract: Η παρούσα εργασία στοχεύει στη διερεύνηση του ροϊκού πεδίου σε ισόθερμες και αντιδρώσες συνθήκες μερικής προ-ανάμειξης καυσίμου/αέρα με χρήση πολύδισκου φλογοσταθεροποιητικού σώματος, σε διαφορετικές αρχικές θερμοκρασίες αέρα και παροχές καυσίμου (προπάνιο). Ο φλογοσταθεροποιητής αποτελείται από 3 δίσκους. Από τον μεσαίου δίσκο, και αντίθετα στη ροή του αέρα, εκχέεται το καύσιμο ενώ ο πάνω δίσκος αγκιστρώνει και σταθεροποιεί τη φλόγα. Για τη μέτρηση του πεδίου ταχυτήτων χρησιμοποιήθηκε δισδιάστατο οπτικοδιαγνωστικό σύστημα ταχυμετρίας σωματιδίων (2D/2C PIV). Το σύστημα PIV αποτελείται από: ένα Nd:YAG laser που εκπέμπει σε μήκος κύματος 532 nm, μια κάμερα (B/W) υψηλής ανάλυσης τύπου CCD και έναν υπολογιστή. Σωματίδια διοξειδίου του τιτανίου, TiO2, χρησιμοποιήθηκαν ως διαχεόμενα τροχιοδεικτικά σωματίδια στη ροή. Η χωρική μετατόπιση των τροχειοδεικτικών σωματιδίων μεταξύ των παλμών του laser για μια γνωστή σύντομη χρονική διαφορά επιτρέπει τον προσδιορισμό του πεδίου ταχυτήτων στο συγκεκριμένο σημείο. Οι αποθηκευμένες εικόνες επεξεργάστηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό DaVis8.0® LaVision® για τον υπολογισμό της μέσης και RMS ταχύτητας του πεδίου. Ο κύριος στόχος αυτής της μελέτης είναι να εξεταστεί το πεδίο ταχυτήτων σε αντιδρώσες και μη συνθήκες για διαφορετικές θερμοκρασίες προθέρμανσης του αέρα εισαγωγής. Πιο συγκεκριμένα οι περιπτώσεις που μελετήθηκαν είναι: Για την ισόθερμη κατάσταση μελετήθηκαν ροές με διαφορετική θερμοκρασία προ-θερμασμένου αέρα (300 K, 423 K, 573 K και 743 K), ενώ για τις αντιδρώσες ροές πέρα από τις διαφορές στην θερμοκρασία εισόδου αέρα, εξετάσθηκε και η συμπεριφορά του ροϊκού πεδίου για διαφορετικές παροχές καυσίμου. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μία θεωρητική ανασκόπηση γύρω από τα φαινόμενα της καύσης, όπου αναλύονται οι κατηγορίες φλογών ανάλογα με τρόπο ανάμειξης οξειδωτικού/καυσίμου. Επίσης γίνεται αναφορά στο τυρβώδες ροϊκό πεδίο και αναλύονται χαρακτηριστικά μεγέθη τα οποία και υπολογίστηκαν στο πλαίσιο της εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα οι ροές που διερευνήθηκαν ενώ στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος της ταχυμετρίας απεικόνισης σωματιδίων (Particle Image Velocimetry-PIV) καθώς και η πειραματική εγκατάσταση του καυστήρα και του μετρητικού εξοπλισμού. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας. Τα πειραματικά δεδομένα που εξήχθησαν μέσω του PIV επεξεργάστηκαν περεταίρω με χρήση των υπολογιστικών προγραμμάτων MATLAB 2017b, Techplot 360 EX 2017 R2 και Microsoft Excel. Τα μεγέθη του ροϊκού πεδίου που εξετάζονται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας χωρίζονται σε μέσες και διακυμαινόμενες τιμές. Για το μέσο ροϊκό πεδίο παρουσιάζονται χωρικές και ακτινικές κατανομές των μέσων τιμών ταχυτήτων του πεδίου ροής και υπολογίζεται το μήκος της ανακυκλοφορίας και ο ρυθμός παροχής μάζας μέσα σε αυτήν. Για το τυρβώδες ροϊκό πεδίο υπολογίζεται η ένταση της τύρβης και γίνεται εκτίμηση της ολοκληρωτικής κλίμακας μήκους και του τυρβώδους αριθμού Reynolds. Τέλος έγινε εκτίμηση της εμπλεκόμενης αβεβαιότητας των μετρήσεων λαμβάνοντας υπόψιν την αβεβαιότητα που οφείλεται στον εξοπλισμό και την δυναμική των σωματιδίων.
Abstract (translated): The present study aims to investigate the flow field in isothermal and reactive partial fuel / air pre-mixing conditions using a multidisc flame-stabilizing body at different initial air temperatures and fuel supply (propane). The flame stabilizer consists of 3 discs. From the middle disc, and contrary to the air flow, the fuel is drained while the upper disk hooks and stabilizes the flame. Two-dimensional particle image velocimetry system (2D / 2C PIV) was used to measure the speed range. The PIV system consists of: a Nd: YAG laser emitting at a wavelength of 532 nm, a high resolution CCD camera (B / W) and a computer. Titanium dioxide particles, TiO2, were used as diffusive tracer particles in the flow. The spatial displacement of the trajectorial particles between the laser pulses for a known short time difference allows the determination of the range of speeds at that point. Saved images were processed using the DaVis8.0® LaVision® software to calculate the mean and RMS speeds of the field. The main objective of this study is to examine the field of speeds in reacting and non-reacting conditions for different intake air pre-heating temperatures. More specifically, the cases studied were: For the isothermal state, flows with different pre-heated air temperatures (300 K, 423 K, 573 K and 743 K) were studied, while for the reaction flows beyond the differences in the air inlet temperature, the behavior of the flow field for different fuel supplies. The first chapter is a theoretical review of combustion phenomena where the flame categories are analyzed according to oxidant / fuel mixing. Also, reference is made to the turbulent flow field and characteristic dimensions are analyzed which were calculated in the context of the work. The second chapter presents the flows investigated while the third chapter describes the Particle Image Velocimetry-PIV method as well as the experimental installation of the burner and metering equipment. Finally, the fourth chapter presents and analyzes the results of the experimental process. Experimental data exported via PIV were further processed using MATLAB 2017b, Techplot 360 EX 2017 R2 and Microsoft Excel. The flow field quantities examined in this paper are divided into averages and fluctuations. For the mean floating field, spatial and radial distributions of the average velocity values of the flow field are shown, and the recirculation length and the mass flow rate within it are calculated. For the turbulent flow field the turbulent intensity is calculated and the integral length scale and the turbulent Reynolds number are estimated. Finally, the measurement uncertainty involved was assessed, taking into account the uncertainty due to the equipment and the particle dynamics.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Perrakis(MEAD).pdf4.52 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons