Loading…
Active flow control as a tool to reveal the role of the precessing vortex core in swirl flames
Lückoff, Finn Simon
The flow inside a gas turbine is typically highly turbulent when it leaves the compressor and reaches the burner inlet. Inside the burner, the flow typically passes through a swirl generator which transforms the almost parallel flow into a swirling flow. The degree of the swirl induced to the flow is su ciently high such that the swirling jet emanating from the burner outlet into the combustion chamber undergoes a phenomenon known as vortex breakdown. As a consequence of this phenomenon, a central recirculation zone forms around the jet axis which allows the flame to stabilize inside the resulting shear layers. This reacting flow configuration allows for an e cient and low-emission lean combustion, but is prone to thermoacoustic and hydrodynamic instabilities. One of the most prominent hydrodynamic instabilities in this flow configuration is the so-called precessing vortex core (PVC) which manifests as a single-helical coherent structure meandering in downstream direction along the shear layers. Although, there are already several studies about the PVC, its impact on the combustion process is not fully understood and described, yet. In this thesis, an active flow control system is developed which creates exclusive experimental conditions to further investigate the role of the PVC on the combustion process. This flow control system is integrated into the mixing section of a swirl burner. There, helical actuation, according to the zero-net-mass-flux principle, is achieved which mimics the helical motion of the PVC. The actuation is applied in the region where the response of the PVC to external periodic forcing is maximal which can be considered as the origin of the PVC. Due to the maximal response of the PVC in this region, only small actuation amplitudes are necessary to achieve a considerable control e ect without changing the flow configuration fundamentally. After a comprehensive proof of the control concept under isothermal and reacting operating conditions, the flow control system is applied to either excite a PVC via open-loop forcing or suppress it via closed-loop control depending on the flow configuration. With this tool at hand, the exclusive impact of the PVC on flame dynamics, mixing and NOx emissions is investigated. It is observed that the excitation of the PVC can damp self-excited thermoacoustic oscillations considerably. One explanation for this observation, is a possible break of the symmetry of axisymmetric equivalence ratio fluctuations by the skew-symmetric actuated PVC. Further explanations for this observation are given by two mean field coupling mechanisms which are derived from time-resolved flow field and heat release rate measurements. These mechanisms are derived in connection with measurements of the flame transfer function (FTF) which reveal that the PVC is capable of reducing the FTF gain without changing the FTF phase. According to mechanism one, the PVC reduces the growth rate of the Kelvin-Helmholtz instability which hinders axisymmetric modes to grow in the shear layers. Mechanism two refers to the PVC-induced change of the mean flame shape which becomes more compact and is shifted upstream towards the burner outlet. As a result, less heat release fluctuations reach the sensitive flame tip which leads as well to a damping of the FTF gain. Besides these findings regarding the impact of the ing cold reactants with hot products from the central recirculation zone. This large-scale mixing enhances the reaction rate and entrains radicals into the incoming flow. Consequently, the flame follows the PVC-induced vortices and the NOx emission level increases. With the developed flow control approach at hand, unique experimental conditions are generated which allow for investigating the exclusive impact of the PVC on the combustion process. Furthermore, this flow control approach can be applied to actively control the stability and e ciency of the combustion process. To apply the laboratory actuation system to a machine of industrial scale, an alternative actuation design is suggested which relies on fluidic oscillators. Moreover, the flow control approach studied in the present thesis is applicable to all types of flow with inherent global hydrodynamic modes such as the PVC.
Die Strömung innerhalb einer Gasturbine ist typischerweise stark turbulent, wenn sie den Verdichter verlässt und den Brennereinlass erreicht. Im Inneren des Brenners passiert die Strömung typischerweise einen Drallgenerator, der die fast parallele Strömung in eine Drallströmung umwandelt. Der Grad des in der Strömung induzierten Dralls ist ausreichend hoch, so dass der vom Brennerauslass in die Brennkammer austretende Drallstrahl ein Phänomen erfährt, das als Wirbelaufplatzen (vortex breakdown) bezeichnet wird. Als Folge dieses Phänomens bildet sich um die Strahlachse eine zentrale Rezirkulationszone, die es der Flamme ermöglicht, sich innerhalb der entstehenden Scherschichten zu stabilisieren. Diese reaktive Strömungskonfiguration ermöglicht eine effiziente und emissionsarme magere Verbrennung, ist jedoch anfällig für thermoakustische und hydrodynamische Instabilitäten. Eine der bekanntesten hydrodynamischen Instabilitäten in dieser Strömungskonfiguration ist der so genannte precessing vortex core (PVC), der sich als eine spiralförmige, kohärente Struktur manifestiert, welche stromabgerichtet die Scherschichten entlang mäandert. Obwohl es bereits mehrere Studien über den PVC gibt, ist dessen Einfluss auf den Verbrennungsprozess noch nicht vollständig verstanden und beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wird ein aktives Strömungskontrollsystem entwickelt, das exklusive experimentelle Bedingungen scha t, um die Rolle des PVC auf den Verbrennungsprozess weiter zu untersuchen. Dieses Strömungskontrollsystem ist in die Mischsektion eines Drallbrenners integriert. Dort wird eine helikale Aktuation, nach dem zero-netmass- flux Prinzip, realisiert, durch welche die präzedierende Bewegung des PVC nachgeahmt wird. Die Aktuation wird in jenem Bereich angewendet, in welchem die Antwort des PVC auf äußere periodische Anregung maximal ist. Dieser Bereich der höchsten Rezeptivität kann als Ursprung des PVC betrachtet werden. Aufgrund der maximalen Antwort des PVC in diesem Bereich sind nur kleine Anregungsamplituden notwendig, um eine erhebliche Kontrollwirkung zu erzielen, ohne die Strömungskonfiguration grundlegend zu verändern. Nach einem umfassenden Nachweis der Funktionalität des Regelkonzepts unter isothermen und reaktiven Betriebsbedingungen wird das Strömungskontrollsystem eingesetzt, um den PVC je nach Strömungskonfiguration anzuregen (o ener Regelkreis) oder zu unterdrücken (geschlossener Regelkreis). Mit diesem Werkzeug kann der ausschließliche Einfluss des PVC auf Flammendynamik, Mischung und NOx-Emissionen untersucht werden. Es wird beobachtet, dass die Anregung des PVC selbsterregte thermoakustische Schwingungen erheblich dämpfen kann. Eine Erklärung für diese Beobachtung ist ein möglicher Bruch der Symmetrie der achsensymmetrischen Äquivalenzverhältnisschwankungen durch den angegereten asymmetrischen PVC. Weitere Erklärungen für diese Beobachtung werden durch zwei Kopplungsmechanismen zeitlich gemittelter Felder gegeben, die aus zeitaufgelösten Strömungsfeld- und Wärmefreisetzungsratenmessungen abgeleitet werden. Diese Mechanismen werden in Verbindung mit Messungen der Flammentransferfunktion (FTF) abgeleitet, die zeigen, dass der PVC in der Lage ist, den FTF-Gain zu reduzieren, ohne die FTF-Phase zu verändern. Dem ersten Mechanismus zufolge reduziert der PVC die Wachstumsrate der Kelvin-Helmholtz-Instabilität, was das Wachstum der achsensymmetrischen Moden in den Scherschichten behindert. Mechanismus zwei bezieht sich auf die PVC-induzierte Änderung der mittleren Flammenform, die kompakter wird und sich stromaufwärts zum Brenneraustritt hin verschiebt. Dadurch erreichen weniger Wärmefreisetzungsratenschwankungen die empfindliche Flammenspitze, was ebenfalls zu einer Dämpfung des FTF-Gains führt. Neben diesen Erkenntnissen zum Einfluss des PVC auf die Flammendynamik wird gezeigt, dass der PVC eine großräumige Vermischung der einströmenden kalten Reaktanden mit den heißen Produkten in der zentralen Rezirkulationszone bewirkt. Diese großräumige Vermischung erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und befördert Radikale in das einströmende Fluid. Dadurch folgt die Flamme den PVC-induzierten Wirbeln und das Niveau der NOx-Emissionspegel erhöht sich. Mit dem entwickelten Strömungskontrollansatz werden einzigartige experimentelle Bedingungen gescha en, die es erlauben, den ausschließlichen Einfluss des PVC auf den Verbrennungsprozess zu untersuchen. Darüber hinaus kann dieser Strömungskontrollansatz zur aktiven Steuerung der Stabilität und E zienz des Verbrennungsprozesses eingesetzt werden. Um den Laboraufbau des Strömungskontrollsystems auf eine Maschine im industriellen Maßstab anzuwenden, wird ein alternatives Aktuationskonzept vorgeschlagen, das sich auf fluidische Oszillatoren stützt. Darüber hinaus ist der in der vorliegenden Arbeit untersuchte Strömungskontrollansatz auf alle Arten von Strömungen mit inhärenten globalen hydrodynamischen Moden, wie z.B. dem PVC, anwendbar.
Has Part
