Projektinformation
Beskrivning
The thesis deals with development and application of non-linear mid-infrared laser techniques in combustion diagnostics. Three techniques were investigated here: infrared degenerate four-wave mixing (IR-DFWM), infrared laser-induced thermal grating spectroscopy (IR-LITGS) and infrared polarization spectroscopy (IRPS). These techniques are especially useful for the detection of molecular species lacking accessible electronic transitions in the ultraviolet and visible spectral regions. These includes many different species playing a key role in combustion, such as CH4, C2H6, H2O, CO2, HCl and HCN. These species can be probed using ro-vibrational transitions in the mid-infrared spectral region. Non-linear mid-infrared laser techniques provide the possibility of sensitive, non-intrusive, spatially resolved in situ detection of these species in combustion environments.
For IR-DFWM, the work carried out was focused on investigating the hot mid-infrared spectra of small hydrocarbons and other molecules of interest in combustion research. Accurate knowledge of the spectral structure at elevated temperatures is important for the spectral-line identification of selected species. The sensitivity of the technique at high temperatures suggests the feasibility of IR-DFWM being employed in situ combustion diagnostics. Investigations of CH3Cl, NH3 and OCS detection were aimed at applications in biomass combustion.
For IR-LITGS, the thesis reports on what appears to be the first time-resolved measurements performed utilizing a mid-infrared pump laser and probing molecular ro-vibrational excitation transitions. The measurements concerned both corroboration of the principles involved, and possibilities of applying IR-LITGS to both cold flow measurements and flames.
Regarding IRPS, the investigations carried out dealt with low-pressure flames. IRPS was found to have a potential for the in situ, non-intrusive measurements both of temperature and of species concentrations in low pressure flames, matters that are of interest for validating chemical kinetics models and probe measurements in low pressure flames.
The results from different techniques are summarized and a qualitative comparison of the different techniques in terms of their sensitivity and applicability is discussed at the end.
For IR-DFWM, the work carried out was focused on investigating the hot mid-infrared spectra of small hydrocarbons and other molecules of interest in combustion research. Accurate knowledge of the spectral structure at elevated temperatures is important for the spectral-line identification of selected species. The sensitivity of the technique at high temperatures suggests the feasibility of IR-DFWM being employed in situ combustion diagnostics. Investigations of CH3Cl, NH3 and OCS detection were aimed at applications in biomass combustion.
For IR-LITGS, the thesis reports on what appears to be the first time-resolved measurements performed utilizing a mid-infrared pump laser and probing molecular ro-vibrational excitation transitions. The measurements concerned both corroboration of the principles involved, and possibilities of applying IR-LITGS to both cold flow measurements and flames.
Regarding IRPS, the investigations carried out dealt with low-pressure flames. IRPS was found to have a potential for the in situ, non-intrusive measurements both of temperature and of species concentrations in low pressure flames, matters that are of interest for validating chemical kinetics models and probe measurements in low pressure flames.
The results from different techniques are summarized and a qualitative comparison of the different techniques in terms of their sensitivity and applicability is discussed at the end.
Populärvetenskaplig beskrivning
Förbränning står idag för runt 90 procent av våra energikällor. De allra flesta av våra bilar drivs av förbränningsmotorer och stora delar av vår elproduktion kommer från gasturbiner och kolkraftverk. Trots detta är det väldigt mycket vi inte vet om förbränning. Vad händer egentligen i en flamma? På något sätt reagerar bränslet med syre och bildar koldioxid och vatten, samtidigt som en stor mängd värme produceras. Men vägen dit är lång och komplicerad. Många andra ämnen än koldioxid och vatten bildas under förbränningen, däribland föroreningar som är skadliga för naturen och människor.
Förutom problemet med utsläpp av föroreningar så bygger de flesta motorer idag på icke-förnyelsebara bränslen. Det är därför nödvändigt att utveckla mer effektiva motorer, som ger mindre utsläpp och sparar våra resurser. För att kunna göra detta måste vi förstå vad som händer under förbränningen. Vilka ämnen bildas i en flamma? Hur mycket värme avges under processen? Vilken är den högsta temperaturen vid en förbränning?
Frågan är hur man på bästa sätt kan mäta koncentrationer av ämnen och temperaturer i förbränningsprocesser. Att sticka in ett mätinstrument i en flamma påverkar hur flamman brinner. Detta kan leda till att den temperatur och de koncentrationer av ämnen som uppmäts skiljer sig från de som skulle varit om mätningen inte utförts. Vi vill veta vad som händer under förbränningen när förloppet inte störs. Därför är det viktigt att kunna mäta i en flamma utan att ändra något genom mätningen. För detta används spektroskopi.
Spektroskopi är läran om hur ljus växelverkar med materia. Alla atomer och molekyler absorberar ljus vid vissa speciella våglängder (olika våglängder betyder olika färg på ljuset). De våglängder som ljus absorberas vid är unika för varje ämne och utgör varje molekyls ”fingeravtryck”. Om en flamma belyses kan man mäta vilka våglängder som har absorberats. Från detta går det att bestämma vilket ämne som finns i gasen. Vilka våglängder ljuset absorberas vid beror också till viss del på temperaturen. Därför kan även temperaturen i en flamma bestämmas med hjälp av spektroskopi.
Infrarött ljus är ljus med mycket längre våglängder än synligt ljus. Detta ljus kan människor inte se. Vissa molekyler som är viktiga i förbränningsprocesser har inga ”fingeravtryck” med absorptionslinjer vid synliga våglängder. Man kan då istället studera absorptionen av infrarött ljus. Växthusgaser, som koldioxid och vattenånga, absorberar mycket infrarött ljus, vilket är anledningen till att de hjälper till att värma upp jorden.
Lasrar är speciellt användbara för spektroskopi. För det första har ljuset från en laser bara en specifik våglängd. till skillnad från ”vanliga” ljuskällor vars ljus består av flera våglängder. Laserns våglängd kan väljas för att motsvara en våglängd som absorberas av det ämne som ska studeras. Laserljus är också mycket starkare än vanligt ljus. Många lasrar avger ljus i korta pulser, ofta bara några nanosekunder långa (en nanosekund är en tusendel av en miljondels sekund). I vissa turbulenta förbränningsprocesser, t.ex. motorer, sker förbränningen i en omgivning som ändras väldigt snabbt. Med pulsade lasrar går det att göra ”ögonblicksmätningar” i motorn. Det betyder att förbränningen inte ändras under den tid som det tar att utföra mätningen.
Det finns många olika lasertekniker för diagnostik vid förbränningsprocesser. Flera av de tekniker som finns idag används industriellt. Lasermätningar inom förbränning hjälper till att effektivisera motorer och elkraftverk som drivs av förbränning. En hel del mätningar utförs också i enkla flammor för att fördjupa vår förståelse av vad som händer under förbränningsförloppet. På detta sätt hjälper lasermätningar oss att spara våra resurser och minska utsläppen av giftiga ämnen ut i vår atmosfär.
Icke-linjära lasertekniker är mer komplicerade lasertekniker, som kräver avancerad utrustning och hög-effekt-laserpulser. Fördelen med icke-linjära lasertekniker är att de ofta är väldigt känsliga och kan mäta mycket små koncentrationer. Det är också möjligt att begränsa mätområdet till små punkter och att mäta direkt i motorer etc. utan att störa processen. På så sätt kan man få en bättre förståelse för vad som händer vid förbränning.
Den här avhandlingen fokuserar på att utveckla och testa icke-linjära lasertekniker for experiment utförda med infraröda lasrar. Det slutliga målet med forskningen är att få fram tekniker som kan användas både vid grundforskning och vid praktiska tillämpningar för att studera förbränning. Målet med grundforskning i förbränning är att fördjupa vår förståelse av vad som händer vid förbränning. Detta kan sedan förhoppningsvis användas t.ex. för att bygga effektivare motorer och minska utsläpp.
Förutom problemet med utsläpp av föroreningar så bygger de flesta motorer idag på icke-förnyelsebara bränslen. Det är därför nödvändigt att utveckla mer effektiva motorer, som ger mindre utsläpp och sparar våra resurser. För att kunna göra detta måste vi förstå vad som händer under förbränningen. Vilka ämnen bildas i en flamma? Hur mycket värme avges under processen? Vilken är den högsta temperaturen vid en förbränning?
Frågan är hur man på bästa sätt kan mäta koncentrationer av ämnen och temperaturer i förbränningsprocesser. Att sticka in ett mätinstrument i en flamma påverkar hur flamman brinner. Detta kan leda till att den temperatur och de koncentrationer av ämnen som uppmäts skiljer sig från de som skulle varit om mätningen inte utförts. Vi vill veta vad som händer under förbränningen när förloppet inte störs. Därför är det viktigt att kunna mäta i en flamma utan att ändra något genom mätningen. För detta används spektroskopi.
Spektroskopi är läran om hur ljus växelverkar med materia. Alla atomer och molekyler absorberar ljus vid vissa speciella våglängder (olika våglängder betyder olika färg på ljuset). De våglängder som ljus absorberas vid är unika för varje ämne och utgör varje molekyls ”fingeravtryck”. Om en flamma belyses kan man mäta vilka våglängder som har absorberats. Från detta går det att bestämma vilket ämne som finns i gasen. Vilka våglängder ljuset absorberas vid beror också till viss del på temperaturen. Därför kan även temperaturen i en flamma bestämmas med hjälp av spektroskopi.
Infrarött ljus är ljus med mycket längre våglängder än synligt ljus. Detta ljus kan människor inte se. Vissa molekyler som är viktiga i förbränningsprocesser har inga ”fingeravtryck” med absorptionslinjer vid synliga våglängder. Man kan då istället studera absorptionen av infrarött ljus. Växthusgaser, som koldioxid och vattenånga, absorberar mycket infrarött ljus, vilket är anledningen till att de hjälper till att värma upp jorden.
Lasrar är speciellt användbara för spektroskopi. För det första har ljuset från en laser bara en specifik våglängd. till skillnad från ”vanliga” ljuskällor vars ljus består av flera våglängder. Laserns våglängd kan väljas för att motsvara en våglängd som absorberas av det ämne som ska studeras. Laserljus är också mycket starkare än vanligt ljus. Många lasrar avger ljus i korta pulser, ofta bara några nanosekunder långa (en nanosekund är en tusendel av en miljondels sekund). I vissa turbulenta förbränningsprocesser, t.ex. motorer, sker förbränningen i en omgivning som ändras väldigt snabbt. Med pulsade lasrar går det att göra ”ögonblicksmätningar” i motorn. Det betyder att förbränningen inte ändras under den tid som det tar att utföra mätningen.
Det finns många olika lasertekniker för diagnostik vid förbränningsprocesser. Flera av de tekniker som finns idag används industriellt. Lasermätningar inom förbränning hjälper till att effektivisera motorer och elkraftverk som drivs av förbränning. En hel del mätningar utförs också i enkla flammor för att fördjupa vår förståelse av vad som händer under förbränningsförloppet. På detta sätt hjälper lasermätningar oss att spara våra resurser och minska utsläppen av giftiga ämnen ut i vår atmosfär.
Icke-linjära lasertekniker är mer komplicerade lasertekniker, som kräver avancerad utrustning och hög-effekt-laserpulser. Fördelen med icke-linjära lasertekniker är att de ofta är väldigt känsliga och kan mäta mycket små koncentrationer. Det är också möjligt att begränsa mätområdet till små punkter och att mäta direkt i motorer etc. utan att störa processen. På så sätt kan man få en bättre förståelse för vad som händer vid förbränning.
Den här avhandlingen fokuserar på att utveckla och testa icke-linjära lasertekniker for experiment utförda med infraröda lasrar. Det slutliga målet med forskningen är att få fram tekniker som kan användas både vid grundforskning och vid praktiska tillämpningar för att studera förbränning. Målet med grundforskning i förbränning är att fördjupa vår förståelse av vad som händer vid förbränning. Detta kan sedan förhoppningsvis användas t.ex. för att bygga effektivare motorer och minska utsläpp.
| Status | Ej startat |
|---|