Third party funded individual grant
Start date : 01.08.2021
End date : 31.07.2024
Although great efforts are being made for the electrification of mobility and decarbonisation of energy conversion, the combustion of fossil and other carbon-based fuels will be a major sector of energy conversion in both China and Germany for many years to come. In this context, the reduction of soot emissions from combustion processes, both in terms of adverse health effects and the significant contribution to global warming, is a major challenge.
Despite great progress in modelling, there is still no complete understanding of soot formation in turbulent combustion processes, as is, e.g., relevant for combustion engines. A main challenge in contributing to a better understanding is the necessity of a temporally highly resolved detection of complex and fluctuating soot distributions. This project addresses this challenge by enabling a four-dimensional (3D spatially and temporally resolved) determination of essential soot characteristics. The collaborative approach of the groups in Erlangen and Shanghai, whose expertise ideally complements each other, forms a most promising basis for the development of this advanced diagnostic tool.
The overall objective of the proposed research project is the development of a method with which characteristic parameters of soot (concentration, primary particle size, temperature) can be measured with high temporal resolution (kHz) in their full three-dimensional structure. For this purpose, the methods of two-color pyrometry (2CP) and time-resolved laser-induced incandescence (TiRe-LII) with volumetric illumination will be further developed and combined with advanced tomographic reconstruction methods. A specific feature of the approach is the realization of a set-up with minimized experimental expenditure, performing simultaneous measurements of 2CP and TiRe-LII with three or four high-speed cameras in total, which is achieved through the use of customized fiber bundles.
The project uses well-defined steps, closely coordinated between experimental and numerical studies. Starting from a reference flame with well-known characteristics, the method can finally be applied to a transient diffusion flame.
For a fast and efficient evaluation of the large amounts of data, both the algorithms for LII and tomographic evaluation will be further developed including the use of convolutional neural networks.
At the end of the project, a measurement system and evaluation technique will be available with which reference data can be obtained for different flame types to understand soot formation and oxidation and to validate numerical methods.
Obwohl große Anstrengungen zur Elektrifizierung der Mobilität und zur Dekarbonisierung der Energiewandlung unternommen werden, wird die Verbrennung fossiler und anderer kohlenstoffbasierter Brennstoffe sowohl in China als auch in Deutschland noch viele Jahre ein wichtiger Sektor der Energiewandlung sein. In diesem Zusammenhang stellt die Reduzierung der Rußemissionen aus Verbrennungsprozessen sowohl hinsichtlich der gesundheitlichen Auswirkungen als auch hinsichtlich des erheblichen Beitrags zur globalen Erwärmung eine große Herausforderung dar.Trotz großer Fortschritte in der Modellierung gibt es noch Lücken im Verständnis der Rußbildung in turbulenten Verbrennungsprozessen, wie sie z.B. für Verbrennungsmotoren relevant sind. Eine der größten Herausforderungen auf dem Weg zu einem besseren Verständnis der Rußbildung ist die Notwendigkeit einer zeitlich hoch-aufgelösten Erfassung komplexer, fluktuierender Rußverteilungen. Dieses Projekt stellt sich dieser Herausforderung, indem es eine vier-dimensionale (3D räumlich und zeitlich aufgelöste) Bestimmung wesentlicher Rußparameter ermöglicht. Der kooperative Ansatz der Gruppen in Erlangen und Shanghai, deren Expertisen sich für dieses Projekt ideal ergänzen, bildet eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung dieser fortschrittlichen Diagnosemethode.Das letztendliche Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Methode, mit der wesentliche charakteristische Parameter von Ruß (Konzentration, Primärpartikelgröße, Temperatur) mit hoher zeitlicher Auflösung (kHz) in ihrer vollen drei-dimensionalen Struktur gemessen werden können. Zu diesem Zweck werden die Methoden der Zweifarb-Pyrometrie (2CP) und der zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz (TiRe-LII) mit volumetrischer Beleuchtung weiterentwickelt und mit fortschrittlichen tomographischen Rekonstruktions-verfahren kombiniert. Eine Besonderheit des Ansatzes ist die Realisierung eines Aufbaus mit minimiertem experimentellen Aufwand. Der Aufbau erlaubt die gleichzeitige Messung von 2CP und TiRe-LII mit insgesamt drei bzw. vier Hochgeschwindigkeitskameras, was durch den Einsatz speziell angepasster Faserbündel erreicht wird.Das Projekt nutzt zwischen Experiment und numerischer Simulation aufeinander abgestimmte Schritte. Ausgehend von einer Referenzflamme mit bekannten Eigenschaften, kann so die Methode schließlich auf eine transiente Diffusionsflamme angewendet werden.Für eine schnelle und effiziente Auswertung der großen Datenmengen werden sowohl die Auswertealgorithmen für LII als auch für die tomographische Rekonstruktion weiterentwickelt, einschließlich des Einsatzes eines Convolutional Neural Networks. Am Ende des Projektes werden ein Messsystem und Auswerteverfahren zur Verfügung stehen, mit denen für verschiedene Flammentypen Referenzdaten zum Verständnis der Rußbildung und Oxidation sowie zur Validierung numerischer Methoden gewonnen werden können.