Optical Diagnostics of Reactive Flows - Application of 3D emission tomography and laser-based methods

Nowadays, numerous specialized systems, ranging from electronics to energy production processes can be found both in science and industry. However due to their specialized nature they often exhibit high sensitivity to intrusive measurements, which can potentially perturb the sought-after characteristics or quantity and consequently compromise overall accuracy. In these scenarios, optical measurements can offer a potential solution owing to their often-non-intrusive nature based on the photon-in-photon-out concept. The application of different optical techniques does not only enable the achievement of non-invasiveness but can also offer the capability to measure and quantify observable phenomena that may not always be accessible through conventional probing methods.

The work within this thesis centers on three-dimensional (3D) emission tomography and its application in the context of reactive flows. Many reactive flows, such as those found in combustion processes, inherently exhibit three-dimensional characteristics, benefitting from measurement techniques that can perform measurements in all three dimensions. The work covers the fundamentals of emission tomography and showcases the techniques application in both combustion and plasma research.

The application in combustion diagnostics yielded volumetric flame reconstructions and investigated the use of arbitrary sensor positions to overcome limitations in optical access. Similarly, plasma diagnostic application allowed for volumetric gliding arc reconstructions facilitating quantification of 3D characteristics such as 3D arc length and arc volume. This is followed by stereoscopic 3D particle tracking applied in iron combustion, looking at particle micro explosions and 3D velocities.

Subsequently, various optical laser-based techniques applied in the work within this thesis are presented, each accompanied by an experimental application. These techniques include particle image velocimetry (PIV), for flow field analysis, and laser-induced fluorescence (LIF), for hydroxide (OH) analysis, both applied in a model lab-scale gas turbine swirl combustor. Additionally, fluorescence lifetime imaging (FLI) was utilized in gliding arc plasma investigations in combination with 3D emission tomography to investigate OH fluorescence lifetimes.

Investigation of potential nanoparticle release during iron combustion was carried out using shadowgraphy, enabling the visualization of release trails produced by individual iron particles. Moreover, work within phosphor thermometry was performed, investigating the impact of PMT non-linearity effects on measured phosphorescence lifetimes and applied for in-situ surface temperature measurements on heat exchanger pipes in a multi-fuel Stirling engine.

Tack vare en mängd olika teknologiska framsteg under de senaste decennierna så finns det idag många system och enheter, särskilt inom industrin, som kan utföra väldigt specialiserade uppgifter till en nivå som tidigare inte vart tänkbart. Exempel på användning av specialiserade system kan vara inom produktion av elektronik eller mat, där den automatiserade tillverkningen beröringsfritt behöver kvalitetstesta de producerade produkterna för att inte skada eller kontaminera dem. Likaså finns det system i den medicinska vården där man behöver utföra tester av prov utan att skada eller påverka provet. Även inom energisektorn finns det många avancerade system till exempel gasturbiner för energiproduktion, där det är mycket svårtillgängligt att utföra tester och mätningar för att få fram viktiga faktorer som temperaturer och utsläpp för att förbättra effektiviteten och miljön.

I dessa fall behövs mättekniker som kan komma åt att mäta i svårtillgängliga miljöer samt få ut bra mätdata med hög kvalitet utan att själv påverka systemet och det som ska mätas. Optiska mättekniker kan ibland erbjuda en potentiell lösning då man mäter med hjälp av fotoner vilket gör teknikerna oftast beröringsfria. Förutom sin icke-invasivitet kan optiska tekniker erbjuda möjligheter att mäta och kvantifiera fenomen som kanske inte alltid är tillgängliga genom mer konventionella mätmetoder.
Då många av fenomenen man studerar är tre-dimensionella (3D) i sin natur så har en ökning skett av optiska tekniker som kan göra mätningar i alla tre dimensionerna.

Denna ökning ses inte bara inom olika forskningsområden utan också på den kommersiella marknaden så som i spel och filmindustrin där optisk skanning används för att skapa digitala 3D modeller av landskap eller för att detektera rörelsemönster hos människor och djur.

I forskningsområden relaterade till energiproduktion och reaktiva flöden, såsom eld eller plasmabågar, kan 3D mätningar göras med hjälp av olika metoder. Arbetet i den här avhandlingen, med avseende på 3D mätningar i reaktiva flöden, fokuserar främst på emissions-tomografi. Emissions-tomografi är en flexibel och icke-invasiv optisk teknik som genom mätningar av ljusutsläppet från reaktiva flöden (eldsflammor och plasmabågar) kan återskapa det ursprungliga mätobjektet i 3D.
Denna typ av forskning är viktig då förbränningsprocesser fortfarande bidrar betydligt till den globala energiförsörjningen. Fram till 2020 rapporterade internationella energiorganet International Energy Agency (IEA) att dessa processer stod för ungefär 90% av den globala energiförsörjningen, där 80% av bränslet härstammade från fossila källor [1]. Dessutom visar IEA:s prognoser från 2022 att trots en minskad användning av fossila bränslen förväntas dessa resurser behålla en betydande närvaro i den globala energiförsörjningen och uppgå till cirka 75% år 2030 och 60% år 2050 [2]. Detta tillsammans med nya utmaningar i kombination med införandet av nya förnybara bränslen visar på behovet av ytterligare effektivisering och utsläppsreducering.

Denna avhandling beskriver grunderna för applicerad 3D emissions-tomografi med särskilt fokus på den specifika metod som har utvecklats och tillämpats i den presenterade forskningen. Detta inkluderar information och detaljer kopplat till själva rekonstruktionsprocessen samt olika tillämpning där särskilt fokus har lagts vid teknikens effektivitet för visualisering av reaktiva flöden. Därefter presenteras akademiska bidrag rörande 3D-mätningar där utveckling och tillämpning av framför allt emissions-tomografi i studier av reaktiva flöden visas. Sådana exempel inkluderar 3D mätningar av olika typer av eldsflammor, plasmabågar och brinnande järnpartiklar vid metallförbränning.

Därefter introduceras andra laserbaserade optiska tekniker som används i denna avhandling, dessa tekniker användes för punktmätningar och två-dimensionella (2D) mätningar. De första laserbaserade teknikerna som beskrivs är Particle Image Velocimetry (PIV) och Laser Inducerad Flourescens (LIF) som båda tillämpades i en laboratoriemodell av en gasturbin för energiproduktion. Därefter presenteras mätningar och avbildning av flourescenslivstid (FLI) i en plasmabåge för att undersöka den fluorescerande tiden av molekyler i plasman, denna teknik kombineras också med 3D emissions-tomografi.

Vidare presenteras Shadowgraphy studier som undersöker om det skapas nanopartiklar vid förbränning av järnpulver. Nanopartiklar är viktigt att undvika i metallförbränning för att bland annat möjliggöra bättre bränsleåtervinning. Sist men inte minst gjordes yttemperaturmätningar med hjälp av fosfortermometri på en värmeväxlare i en Stirlingmotor. Mätningar utfördes både vid diesel och vätgaskörning. Även undersökningar på inverkan av icke-linjära effekter i detektorer på uppmätta temperaturer när de används i fosfortermometri presenteras.