Active flow control as a tool to reveal the role of the precessing vortex core in swirl flames [original]

Active ﬂow control as a tool to reveal the role

of the precessing vortex core in swirl ﬂames

vorgelegt von

Master of Science (TU Berlin),

Finn Simon Lückoff,

orcid.org/0000-0002-6610-0851

an der FakultätV–Verkehrs-undMaschinensysteme

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

– Dr.-Ing. –

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. rer. nat. Valentin Popov

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Kilian Oberleithner

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit

Gutachter: Prof. Adam Michael Steinberg

Gutachter: Prof. Maarten Vanierschot

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 13. April 2021

Berlin 2021

Preface

Thisdoctoralthesisandtheaccumulatedpublicationswouldnothavebeenrealizedwith-

out the support and help of some specific persons. First of all, I want to mention my su-

pervisors Prof. Dr.-Ing. Kilian Oberleithner and Prof. Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit.

Kilian, I am very thankful for the tremendous professional, friendly and motivating sup-

portyouhavegivenmeduringthewholeproject. ImustalsoadmitthatIamveryhonored

to be part of your team and enjoy helping you to further develop your department. Prof.

Paschereit, you are supporting me without constraints since the beginning of the project

for which I am very thankful. This includes your expertise and fresh ideas and the use

of your laboratories and measurement equipment. Prof. Adam Michael Steinberg and

Prof. Maarten Vaniershot, thank you very much for taking part in the committee and the

evaluation of this thesis. Prof. Dr. rer. nat. Valentin Popov, I am very happy and thankful

that you host the committee as a chairmen.

Besides the supervisors, there are the co-authors who supported the work with their ex-

pertise and ideas. Moritz Sieber, thank you very much for your unconditional support

overcoming experimental, analytical and technical issues. Jens Müller, thank you very

much for your extraordinary studies associated with this thesis which accompanied the

project and support the findings of this thesis. Thomas Kaiser, thank you very much for

introducing me into the world of hydrodynamic global linear stability analysis.

Moreover, I want to thank the rest of the FLOW group which includes or included: Phoebe

Kuhn, Mohammad Rezay Haghdoost, Sirko Bartholomay, Jan Beuth, David Nolte, Jakob

von Saldern, Moritz Reumschüssel, Bhavraj Thethy, Alexander Jaeschke and Mario Casel;

and all the other colleagues who accompanied and supported me: Eric Bach, Johann

Vinkeloe, Tom Tanneberger, Richard Blümner, Niclas Garan, Alessandro Orichini, Fatma

Cansu Yücel, Fabian Habicht, Sebastian Schimek, Thoralf Reichel and Steffen Terhaar.

Thank you all for your professional support and all the pleasant, inspiring and motivating

conversations and experiences which we had and will have together. Special thanks goes

out to Alexander Jaeschke for his exemplary support in the experiments of this project.

Furthermore, I want to thank our team assistants, Sandy Meinecke and Maria Lück, for

their support in handling all the bureaucracy involved in the project management and

for our pleasant and inspiring conversations during lunch breaks. Thank you very much,

Andy Göhrs, for the technical realization and maintenance of the test rigs and your smart

ideas to overcome technical issues. In this context, I also want to thank the former col-

leagues Robert Bahnweg, Udo Schwadtke and Heiko Stolpe for their technical support.

Last but not least, I want to thank the most important people in my life with all my heart

which are: my wife, my parents, my family and friends who support and supported me

with their unconditional love which means everything to me! - Thank you!

Zusammmenfassung

Die Strömung innerhalb einer Gasturbineist typischerweisestark turbulent, wennsie den

VerdichterverlässtunddenBrennereinlasserreicht. ImInnerendesBrennerspassiertdie

Strömung typischerweise einen Drallgenerator, der die fast parallele Strömung in eine

Drallströmung umwandelt. Der Grad des in der Strömung induzierten Dralls ist ausre-

ichend hoch, so dass der vom Brennerauslass in die Brennkammer austretende Drall-

strahl ein Phänomen erfährt, das als Wirbelaufplatzen (vortex breakdown) bezeichnet

wird. Als Folge dieses Phänomens bildet sich um die Strahlachse eine zentrale Rezir-

kulationszone, die es der Flamme ermöglicht, sich innerhalb der entstehenden Scher-

schichten zu stabilisieren. Diese reaktive Strömungskonfiguration ermöglicht eine ef-

fiziente und emissionsarme magere Verbrennung, ist jedoch anfällig für thermoakusti-

sche und hydrodynamische Instabilitäten. Eine der bekanntesten hydrodynamischen In-

stabilitäten in dieser Strömungskonfiguration ist der so genannte precessing vortex core

(PVC), der sich als eine spiralförmige, kohärente Struktur manifestiert, welche stromab-

gerichtet 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 ex-

klusiveexperimentelleBedingungen schafft, um dieRolledes PVCauf denVerbrennungs-

prozess weiter zu untersuchen. Dieses Strömungskontrollsystem ist in die Mischsektion

eines Drallbrenners integriert. Dort wird eine helikale Aktuation, nach dem zero-net-

mass-flux Prinzip, realisiert, durch welche die präzedierende Bewegung des PVC nachge-

ahmt wird. Die Aktuation wird in jenem Bereich angewendet, in welchem die Antwort des

PVC auf äußere periodische Anregung maximal ist. Dieser Bereich der höchsten Rezep-

tivität 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 Strömungskontrollsys-

tem eingesetzt, um den PVC je nach Strömungskonfiguration anzuregen (offener Regel-

kreis) 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 Schwing-

ungen 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 Beobach-

tung werden durch zwei Kopplungsmechanismen zeitlich gemittelter Felder gegeben, die

aus zeitaufgelösten Strömungsfeld- und Wärmefreisetzungsratenmessungen abgeleitet

werden. Diese Mechanismen werden in Verbindung mit Messungen der Flammentrans-

ferfunktion (FTF) abgeleitet, die zeigen, dass der PVC in der Lage ist, den FTF-Gain zu re-

duzieren, ohne die FTF-Phase zu verändern. Dem ersten Mechanismus zufolge reduziert

iii

der PVC die Wachstumsrate der Kelvin-Helmholtz-Instabilität, was das Wachstum der

achsensymmetrischen Moden in den Scherschichten behindert. Mechanismus zwei be-

zieht sich auf die PVC-induzierte Änderung der mittleren Flammenform, die kompak-

ter wird und sich stromaufwärts zum Brenneraustritt hin verschiebt. Dadurch erreichen

weniger Wärmefreisetzungsratenschwankungen die empfindliche Flammenspitze, was e-

benfalls zu einer Dämpfung des FTF-Gains führt. Neben diesen Erkenntnissen zum Ein-

fluss 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 Reak-

tionsgeschwindigkeit 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 Be-

dingungen geschaffen, die es erlauben, den ausschließlichen Einfluss des PVC auf den

Verbrennungsprozesszuuntersuchen. DarüberhinauskanndieserStrömungskontrollan-

satz zur aktiven Steuerung der Stabilität und Effizienz des Verbrennungsprozesses einge-

setzt werden. Um den Laboraufbau des Strömungskontrollsystems auf eine Maschine im

industriellen Maßstab anzuwenden, wird ein alternatives Aktuationskonzept vorgeschla-

gen, das sich auf fluidische Oszillatoren stützt. Darüber hinaus ist der in der vorliegen-

den Arbeit untersuchte Strömungskontrollansatz auf alle Arten von Strömungen mit in-

härenten globalen hydrodynamischen Moden, wie z.B. dem PVC, anwendbar.

Abstract

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 sufficiently high such that the swirling jet emanating from

the burner outlet into the combustion chamber undergoes a phenomenon known as vor-

texbreakdown. Asa consequence ofthis phenomenon, a central recirculationzoneforms

around the jet axis which allows the flame to stabilize inside the resulting shear layers.

This reacting flow configuration allows for an efficient and low-emission lean combus-

tion, but is prone to thermoacoustic and hydrodynamic instabilities. One of the most

prominent hydrodynamic instabilities in this flow configuration is the so-called precess-

ing vortex core (PVC) which manifests as a single-helical coherent structure meander-

ing 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 exper-

imental 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, he-

lical 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 effect 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 de-

pending on the flow configuration. With this tool at hand, the exclusive impact of the

PVC on flame dynamics, mixing and NOxemissions is investigated.

It is observed that the excitation of the PVC can damp self-excited thermoacoustic os-

cillations considerably. One explanation for this observation, is a possible break of the

symmetry of axisymmetric equivalence ratio fluctuations by the skew-symmetric actu-

ated PVC. Further explanations for this observation are given by two mean field cou-

pling 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 aresult, less heatreleasefluctuations reach thesensitive flametip whichleads

as well to a damping of the FTF gain. Besides these findings regarding the impact of the

Loading more pages...