Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6061
Main Title: On the response of a generic swirl flame to transverse planar acoustics
Translated Title: Über die Antwort einer generischen Drallflamme auf transversale planare Akustik
Author(s): Saurabh, Aditya
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Gutmark, Ephraim
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Heat release rate fluctuations are invariably generated at flames under the influence of acoustic and/or hydrodynamics fluctuations. At the same time, heat release rate fluctuations support acoustic fluctuations, such that, when flames are placed in a confined environment (as is usually the case in practical applications driven by combustion), a feedback loop may establish between heat release rate fluctuations and acoustic fluctuations corresponding to the acoustic resonance mode of the confinement. The associated large amplitude fluctuations (in heat release rate as well as pressure) are detrimental to the system and must, therefore, be avoided. Consequently, the stability limits of the combustor govern the operating envelope of the system. This envelope must, at the same time, be tuned to achieve low pollutant emissions. As an example, low NO\tmath{_x} emissions can be achieved when running combustors in the lean premixed mode, where fuel-lean (or air-excess) reactant mixture is premixed before combustion. For this reason, lean premixed combustion was introduced in gas turbine combustors. Unfortunately, combustors are more susceptible to thermoacoustic instability when lean premixed flames are employed. For this reason, understanding, prediction, and mitigation of thermoacoustic instabilities has been a research involvement for engineers and researchers dealing with combustion, particularly in the last few decades, since the introduction of lean premixed combustion in gas turbine combustors. As the instability critically depends on the response of flames to perturbations, understanding flame response is key to understanding thermoacoustic coupling. This thesis falls under the category of investigations that focus on the study of the response of gaseous burner stabilized flames to acoustic forcing. In particular, the focus is the problem of thermoacoustic instability associated with a relatively recent development in gas turbine combustor configuration: annular combustion chambers. Existing information on flame response that is applicable to low frequency thermoacoustic instability is based on studies---experiments and numerical computations---dealing with acoustically-forced flames where the axis of propagation of planar acoustic waves is aligned with the burner axis. During thermoacoustic instability in annular combustors, individual flames experience a two-dimensional acoustic field, such that the flame is affected by acoustic fluctuations in the axial as well as transverse directions with respect to the burner axis/bulk flow direction; with varying axial vs. transverse acoustic velocity and pressure components for different flames, depending on the location of flames with respect to the azimuthal acoustic mode of the annular combustor that is excited during the instability. Relatively few experimental investigations have been conducted in order to identify flame-acoustic coupling mechanisms associated with transverse planar acoustic fluctuations. The few experiments that have been conducted are fairly recent and largely qualitative in nature. Coupling between transverse acoustics and flame dynamics is currently understood to be limited to effects arising from indirect axial fluctuations induced as a result of fluctuating pressure in the combustor that transverse acoustic forcing generates. Here, we revisit the investigation of flame response to transverse acoustics, and based on a primarily experimental study, derive qualitative as well as quantitative inferences on the effects of transverse acoustic pressure and velocity on flame response. The thesis is a compilation of results obtained in experiments performed on a single burner rig with transverse extensions attached to the combustor. The extensions facilitate a controlled setup of low frequency transverse acoustic fields in the combustor. The response of a generic swirl-stabilized flame, under the influence of pure transverse acoustic pressure, transverse acoustic velocity, and combinations of transverse acoustic pressure and velocity was investigated. The latter among these included tests employing travelling transverse acoustic waves, which are representative of spinning azimuthal acoustic modes in annular combustors and is a specific combination transverse acoustic pressure and velocity; and simultaneous axial and transverse acoustic velocity, where the axial acoustic velocity simulates the effect of transverse acoustic pressure. Comparisons were made with flame response to purely axial acoustic forcing. Conclusive inferences on flame response presented in this thesis are based primarily on the flame transfer function. Qualitative description of the transversely forced flow and flame have also been presented using planar flow field data and flame chemiluminescence data respectively. Based on the quantitative results obtained, it is concluded that flame response in the presence of transverse acoustics cannot be represented by its response to axial acoustic forcing. In the presence of pure transverse acoustic pressure, the flame response is qualitatively similar to an axially-forced flame. The response is higher in the case of the transversally forced flame for low frequencies. As forcing frequency increases, the difference subsides. Qualitatively, however, the flame response to transverse acoustic pressure is the similar to its response to axial acoustic forcing. Pure transverse acoustic velocity does not lead to a global flame response; the conclusion is consistent with other recent reports. When transverse acoustic pressure and velocity are simultaneously present, the flame response depends on the magnitude of transverse acoustic velocity, as well as the relative phase difference between transverse pressure and velocity fluctuations.
Fluktuationen der Wärmefreisetzungsrate werden stets durch Flammen erzeugt, welche unter dem Einfluss von akustischen oder hydrodynamischen Fluktuationen stehen. Gleichzeitig unterstützen Schwankungen der Wärmefreisetzungsunterrate diese akustischen Fluktuationen, wenn Flammen in einer geschlossenen Umgebung (wie es bei praktischen Anwendungen meistens der Fall ist) brennen. In diesem Fall kann es zur Rückkoppelung zwischen den Wärmefreisetzungsratenschwankungen und den Fluktuationen des akustischen Druckes kommen. Die damit verbundenen großen Schwankungsamplituden (sowohl für die Wärmefreisetzungsrate als auch den akustischen Druck) sind für das System schädlich und müssen daher vermieden werden. Daraus folgt, dass die Stabilitätsgrenzen des Brenners die Betriebskurve des Systems bestimmen. Gleichzeitig muss die Betriebskurve so abgestimmt sein, dass niedrige Schadstoffemissionen erreicht werden können. Zum Beispiel lassen sich niedrige NOx Werte dadurch erreichen, indem der Brenner in einem mageren, vorgemischten Bereich betrieben wird, bei dem die brennstoffarme (bzw. luftreiche) Mischung vor der Verbrennung vorgemischt wird. Zu diesem Zweck wurde die magere Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennern eingeführt. Allerdings steigern magere, vorgemischte Flammen die Anfälligkeit der Brenner für thermoakustische Instabilitäten. Aus diesem Grund sind die Ursachen, das Verständnis, die Vorhersage und die Abschwächung von thermoakustischen Instabilitäten bedeutende Forschungsgebiete für Ingenieure und Wissenschaftler auf dem Gebiet der Verbrennung; insbesondere seit der Einführung der mageren Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennern in den letzten Jahrzehnten. Da die Instabilität insbesondere von der Antwort der Flamme auf Störungen abhängig ist, ist das Verständnis der Flammenantwort von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der thermoakustischen Koppelung. Diese Dissertation legt den Fokus auf das Studium der Antwort von gasbetriebenen, brennerstabilisierten Flammen auf akustische Anregung. Insbesondere beschäftigt sie sich mit dem Problem der thermoakustischen Instabilitäten, welche mit einer relativ neuen Entwicklung der Gasturbinenbrennerkonfiguration verbunden ist: den annularen Brennkammern. Bereits bestehendes Wissen über die Flammenantwort, welches auf niederfrequente thermoakustische Instabilitäten anwendbar ist, basiert auf experimentellen und numerischen Studien. Diese beschäftigen sich mit akustisch angeregten Flammen, bei denen die Ausbreitungsrichtung der planaren akustischen Welle mit der Brennerachse übereinstimmt. Bei thermoakustischen Instabilitäten in annularen Brennkammern sind die einzelnen Flammen hingegen einem zweidimensionalen akustischen Feld ausgesetzt, so dass die Flamme durch akustische Schwankungen sowohl in axialer als auch transversaler Richtung, bezogen auf die Brennerachse bzw. Hauptströmungsrichtung, beeinflusst wird und darüber hinaus mit sich ändernden axialen und transversalen Komponenten des akustischen Druckes und Schnelle für verschiedene Flammen in Abhängigkeit von der Position der Flammen bezogen auf die azimutale akustische Mode des annularen Brenners, welche durch die Instabilität angeregt wird. Bisher wurden relativ wenige experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Koppelungsmechanismen von Flamme und Akustik bei transversalen, planaren akustischen Schwankungen zu identifizieren. Die wenigen Experimente, die durchgeführt wurden, sind dabei recht aktuell und größtenteils qualitativer Natur. Nach derzeitigem Verständnis ist die Koppelung zwischen transversalem akustischem Feld und Flammendynamik beschränkt auf Effekte, welche sich aus indirekten axialen Fluktuationen, induziert als Ergebnis von Druckschwankungen im Brenner, welche eine transversale akustische Anregung erzeugt, ergeben. In dieser Arbeit wird die Untersuchung der Flammenantwort auf ein transversales akustisches Feld aufgegriffen und, primär basierend auf experimentellen Untersuchungen, quantitative und qualitative Schlussfolgerungen der Effekte von transversalem akustischem Druck und Geschwindigkeit auf die Flammenantwort abgeleitet. Diese Dissertation ist eine Zusammenfassung von Ergebnissen, die experimentell an einem Einzelbrenner ermittelt wurden, welchem transversale Erweiterungen hinzugefügt wurden. Diese Erweiterungen ermöglichen es, kontrolliert transversale akustische Felder im Brenner zu erzeugen. Die Antwort einer generischen, drallstabilisierten Flamme unter dem Einfluss von reinem transversalen akustischen Druck, transversaler akustischer Schnelle und Kombinationen von akustischem Druck und Schnelle wurden untersucht. Letzteres beinhaltete Untersuchungen mittels sich ausbreitender, transversaler akustischer Wellen, welche repräsentativ für drehende, azimutale akustische Moden in annularen Brennern und eine besondere Kombination von akustischem Druck und Schnelle sind, und gleichzeitiger axialer und transversaler akustischer Schnelle, wobei die axiale akustische Schnelle den Effekt des transversalen akustischen Drucks simuliert. Vergleiche wurden angestellt mit der Antwort der Flamme auf rein axiale akustische Anregung. Die Schlussfolgerungen bezüglich der Flammenantwort, welche in dieser Dissertation präsentiert werden, basieren primär auf der Flammentransferfunktion. Qualitative Beschreibungen der transversal angeregten Strömung und Flamme basieren auf planaren Strömungsfelddaten und Chemilumineszenzdaten der Flamme. Basierend auf den gewonnenen quantitativen Daten kann geschlussfolgert werden, dass die Flammenantwort bei Anwesenheit eines transversalen akustischen Feldes nicht durch ihre Antwort auf eine axiale akustische Anregung dargestellt werden kann. In der Gegenwart eines rein transversalen akustischen Druckes ist die Flammenantwort qualitativ der einer axial angeregten Flamme ähnlich. Die Antwort ist stärker im Falle transversal angeregter Flammen bei niedrigen Frequenzen. Bei steigender Anregungsfrequenz klingen die Unterschiede ab. Qualitativ hingegen ist die Antwort der Flamme auf transversalen akustischen Druck ähnlich ihrer Antwort auf eine axiale akustische Anregung. Reine transversale akustische Schnelle führt nicht zu einer globalen Flammenantwort, wobei diese Schlussfolgerung sich mit den Erkenntnissen anderer Veröffentlichungen deckt. Bei gleichzeitigem Vorliegen von akustischem Druck und Schnelle hängt die Flammenantwort sowohl von der Amplitude der transversalen akustischen Schnelle als auch von dem relativen Phasenunterschied zwischen dem transversalen Druck und den Schnellefluktuationen ab.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6568
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6061
Exam Date: 12-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 9-Aug-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): thermoacoustic instability
gas turbine engines
annular combustor
flame response
transverse acoustics
experiment
thermoakustische Instabilität
Gasturbine
annulare Brennkammer
Flammenantwort
transversales akustisches Feld
Experiment
Sponsor/Funder: DFG, PA 920-16, Antwort generischer Drallflammen auf transversale, akustische Anregung
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