Full-Field Laser Vibrometry for Combustion Diagnostics

用于燃烧诊断的全场激光测振法

基本信息

项目摘要

State-of-the art technology in industrial gas turbines for power generation uses lean premixed combustion for high combustion efficiency and low emissions. High power densities and lean combustion increase the susceptibility to thermoacoustic oscillations. Modelling and prediction of instabilities is often accomplished by analysing the flame transfer function (FTF), which relates the unsteady heat release rate from the flame to perturbations of incoming velocity as function of frequency. Such characterization of flames is also necessary for turbomachinery in aero-engines. Since research in the field of turbomachinery always is energy related research, a strong impact on society is given. In previous projects of TU Graz (J. Woisetschläger) funded by the Austrian Science Fund FWF it was shown that so-called laser-vibrometers - interferometers used in engineering for surface vibration detection - can directly record density and heat release fluctuations. It also turned out that two laser vibrometers can detect flow velocities in flames by correlating density fluctuations. Heat release and velocity are both needed for FTF recordings. Inspired by modulation and demodulation techniques from communications engineering, projects at TU Dresden (J. Czarske, A. Fischer) funded by the German Research Foundation DFG proofed the concept of another laser-optical measurement using sinusoidal laser frequency modulation technique - also inherent to laser vibrometer technology - in combination with modern highspeed sensor arrays and spatio-temporal correlation techniques for fluid flow investigations. The hypothesis of this project is that laser vibrometer technology can be combined with modern high-speed camera sensors, so that such a proposed full-field interferometry based on numerous laser vibrometers (each pixel one vibrometer) can record FTF, and also provides field information on heat release rate and velocity as well as spatio-temporal correlations within the flame - all without the need for tracer particles or tracers and all novel to combustion diagnostics. In this project the expertise of both TU Graz and TU Dresden will be combined to verify this hypothesis and develop a full-field laser vibrometer for laseroptical high-speed combustion diagnostics, starting from the thermo-acoustics needed to characterize the flame, including appropriate spatial/temporal correlations for single and dual directional observations. This project includes a benchmarking with single line-of-sight laservibrometers (TU Graz) and high-speed velocity recordings (TU Dresden). Additional to the two main project partners TU Graz (J.Woisetschläger) and TU Dresden (J. Czarske, A. Fischer) three research institutes known for their expertise in turbomachinery combustion and metrology will participate in the verification and testing process (TU Munich, DLR Cologne, PTB Braunschweig).
用于发电的工业燃气轮机的最先进技术采用稀薄预混燃烧,以实现高燃烧效率和低排放。高功率密度和稀薄燃烧增加了对热声振荡的敏感性。不稳定性的建模和预测通常是通过分析来完成的。火焰传递函数 (FTF),它将火焰的不稳定热释放速率与作为频率函数的传入速度扰动联系起来。由于涡轮机械领域的研究始终与能源相关,因此奥地利科学基金 FWF 资助的 TU Graz (J. Woisetschläger) 的先前项目表明了这一点。 - 称为激光测振仪 - 用于表面振动检测的工程干涉仪 - 可以直接记录密度和热释放波动 事实证明,两个激光测振仪可以检测流速。 FTF 记录需要热释放和速度。受通信工程调制和解调技术的启发,德累斯顿工业大学 (J. Czarske, A. Fischer) 由德国研究基金会 DFG 资助的项目证明了这一概念。另一种激光光学测量采用正弦激光频率调制技术(也是激光振动计技术所固有的),结合现代高速传感器阵列和流体时空相关技术该项目的假设是激光测振仪技术可以与现代高速相机传感器相结合,以便这种基于众多激光测振仪(每个像素一个测振仪)的全场干涉测量可以记录 FTF,并且还可以记录 FTF。提供有关火焰内的热释放率和速度以及时空相关性的现场信息 - 所有这些都不需要示踪粒子或示踪剂,并且对于燃烧诊断来说都是新颖的。德累斯顿工业大学将联合验证这一假设,并开发一种用于激光光学高速燃烧诊断的全场激光振动计,从表征火焰所需的热声学开始,包括用于单向和双向观察的适当的空间/时间相关性。除了两个主要项目合作伙伴格拉茨工业大学之外,该项目还包括单视距激光振动计(格拉茨工业大学)和高速速度记录仪(德累斯顿工业大学)的基准测试。 (J. Woisetschläger)和德累斯顿工业大学(J. Czarske、A. Fischer)三个以其在涡轮机械燃烧和计量方面的专业知识而闻名的研究机构(慕尼黑工业大学、DLR 科隆、PTB 不伦瑞克)将参与验证和测试过程。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
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会议论文数量(0)
专利数量(0)
Quantitative measurement of density fluctuations with a full-field laser interferometric vibrometer
使用全场激光干涉测振仪定量测量密度波动
  • DOI:
    10.1007/s00348-019-2842-y
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    F. Greiffenhagen; J. Woisetschläger; J. Gürtler; J. Czarske
  • 通讯作者:
    J. Czarske
Comparison of Flame Transfer Functions Measured With Locally Resolved Full-Field-Vibrometry and OH*-Chemiluminescence
使用局部分辨全场测振法和 OH*-化学发光测量的火焰传递函数的比较
  • DOI:
    10.1115/gt2018-75460
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    F. Greiffenhagen; J. Woisetschläger; J. Gürtler; H. Scholz; R. Kuschmierz; J. Czarske
  • 通讯作者:
    J. Czarske
High-speed non-intrusive measurements of fuel velocity fields at high-pressure injectors
对高压喷射器处的燃油速度场进行高速非侵入式测量
  • DOI:
    10.1016/j.optlaseng.2016.10.003
  • 发表时间:
    2017-03-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Johannes Gürtler;Raimund Schlüßler;A. Fischer;J. Czarske
  • 通讯作者:
    J. Czarske
Simultaneous measurements of velocity and density of transient flows using high-speed camera technique (Conference Presentation)
使用高速摄像技术同时测量瞬态流的速度和密度(会议演示)
  • DOI:
    10.1117/12.2309528
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    J. Gürtler; A. Ramos; J. Woisetschläger; R. Kuschmierz; F. Greiffenhagen J. Czarske
  • 通讯作者:
    F. Greiffenhagen J. Czarske
Discussion of laser interferometric vibrometry for the determination of heat release fluctuations in an unconfined swirl-stabilized flame
激光干涉测振法测定无侧限涡流稳定火焰中放热波动的讨论
  • DOI:
    10.1016/j.combustflame.2018.12.019
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    F. Greiffenhagen; J. Peterleithner; J. Woisetschläger; A. Fischer; J. Gürtler; J. Czarske
  • 通讯作者:
    J. Czarske
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