Interactions of Flow Field and Combustion Characteristics in a Swirl Stabilized Burner [Elektronische Ressource] / Ahmed Abdelrazek Emara. Betreuer: Christian Oliver Paschereit
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Description

Interactions of Flow Field and Combustion Characteristics in a Swirl Stabilized Burner vorgelegt von Ahmed Abdelrazek Emara, Magister -Ingenieur, aus Ägypten Von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme 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. Christian Oliver Paschereit Gutachter: Prof. Dr. Eng. Mahmoud Shahin Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 28. September 2011 Berlin 2011 D 83 II Interactions of Flow Field and Combustion Characteristics in a Swirl Stabilized Burner By M.Sc. Ahmed Abdelrazek Emara M.Sc. Mechanical Power Engineering- Helwan University- Cairo- Egypt- 2004 A Thesis Submitted to Faculty of Mechanical Engineering and Transport Systems- TU Berlin in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering Approved Dissertation Promotion Committee: Chairman: Prof. Dr. rer. nat. Valentin Popov Referee: Prof. Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit Referee: Prof. Dr. Eng.

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Published 01 January 2011
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Language English
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Exrait



Interactions of Flow Field and Combustion Characteristics in a
Swirl Stabilized Burner


vorgelegt von
Ahmed Abdelrazek Emara,
Magister -Ingenieur,
aus Ägypten



Von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme
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. Christian Oliver Paschereit
Gutachter: Prof. Dr. Eng. Mahmoud Shahin

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 28. September 2011



Berlin 2011
D 83 II


Interactions of Flow Field and Combustion Characteristics in a
Swirl Stabilized Burner


By
M.Sc. Ahmed Abdelrazek Emara
M.Sc. Mechanical Power Engineering- Helwan University- Cairo- Egypt- 2004


A Thesis
Submitted to Faculty of Mechanical Engineering and Transport Systems-
TU Berlin
in Partial Fulfillment of the Requirement for
the Degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering

Approved Dissertation


Promotion Committee:
Chairman: Prof. Dr. rer. nat. Valentin Popov
Referee: Prof. Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
Referee: Prof. Dr. Eng. Mahmoud Shahin

Day of scientific debate: 28 September 2011


Berlin 2011
D83

III


IV


Dedication
This Thesis is dedicated to the memory of my late wife, Dr. Tayseer Zaid,
who died in children birth on August 19, 2010 at the age of 29. I did not
realize until her death how she influenced the lives of so many people. I
loved her and will always love her, and am proud of what she
accomplished in her short life.
Also to my daughters Aiah and Arwa,
my late father and brother,
my mother and family, and
Nermin






V VI Acknowledgements
First and foremost, countless thanks go to the God.
I would like to express my great appreciation, deepest gratitude and sincerest thanks to my
advisor and supervisor Prof. Dr. Ing. C. O. Paschereit as he pushed me in the proper directions. I
also have been benefited greatly from his expertise, guidance, valuable advice, and fruitful
discussions throughout all stages of my work particularly when the going was hard. My great
thanks go to Prof. Dr. Eng. M. Shahin for his deep advice and scientific support. I thank him for
withstanding the hard times in reviewing and modifying my dissertation.
I am deeply indebted by the assistance of Dr. C.N. Nayeri and my colleagues at the institute,
especially A. Lacarelle, J. Moeck, K. Oberleithner, and C. Pfifer for their valuable advice, help,
and discussions. I gratefully acknowledge their contributions. Thanks also go to Mr. R.
Grüneberger in DLR- Berlin for his sincere advice during the designing and manufacturing some
parts of my test facilities. I would like to extend my sincere thanks to ISTA and DLR guys,
without naming everyone, especially the combustion, water, and boundary layer lab- mates and
friends I have had during my work in Berlin. Thanks to Dipl. Ing. H. Stolpe for his help in
electronic requirements during the work in doctorate.
Special thanks go to the secretary members; Ms. Lilli Lindemann, Ms. Kristin Halboth, and
Sandy and also to Ms. A. Pätzold and Ms. Kulzer for their help during my work. I would like to
thank the whole technicians and workshop members, especially Mr. Mettchen, for their help in
manufacturing the required parts to my work.
Gratefully, I would like to thank the Egyptian Ministry of Higher Education and Scientific
Research for financial support and the Egyptian embassy in Berlin for moral support.
I wish to give a special recognition, great thanks, and mercy to my nine years companion, my late
wife Dr. Tayseer Zaid for her unconditional love and sincere standing beside me throughout all
stages of my work until the end of her life some months ago. Thanks for supporting, motivating,
and pushing me in pursuit of my dreams, desires and hopes. I could never have achieved any
thing without you Tayseer. I love you so much and hopefully to be together on the date of the
meeting in Paradise. Thanks to my small daughters Aiah and Arwa for their patience far from me
to help me to concentrate in my work. I gratefully thank my mother, my mother-in-law and Dr.
Nahed Wahba, the wife of my brother, for taking care and sincere support of my daughters in life
and study at my homeland Egypt. Thanks also to the whole family; Nagy, Mahmoud, Kareem,
Neema, and Reham. I love you all. Thanks to Nermin for her sincere support.
Finally, I would like to thank all people who helped me to finish this thesis.
VII VIII Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Verbrennungscharakteristiken,
Strömungsfelduntersuchungen sowie Wechselwirkungen des Strömungsfeldes in einem
drallstabilisierten Brenner. Das Hauptziel ist es, eine stabile Verbrennung bei geringen
Emissionen zu gewährleisten. Um das zu erreichen, werden drei Ideen untersucht. Die erste Idee
ist die Verwendung eines neuen Modells eines in den Brenner integrierten rückgekoppelten
fluidischen Oszillators. Die zweite ist die Modulation einer in denselben Brenner eingelassenen
Piloteinspritzdüse, die mit mehreren Löchern versehen ist. Die letzte Idee umfasst eine Änderung
des Brennerauslasses und der akustischen Randbedingung.

Der fluidische Oszillator hat keine beweglichen Teile oder Ventilregelungen, nur die
Fluidbewegung selbst ist verantwortlich für die Erzeugung einer pulsienden Strömung. Die
Schwingung erfolgt selbsterregt. Untersucht werden das Strömungsverhalten im inneren und
äußeren Bereich des fluidischen Oszillators sowie dessen Verhalten in aktiven
Kontrollregelungen. Die optimale Oszillatorkonstruktion überwindet dabei
Größeneinschränkungen sowie Hochfrequenzstörungen bedingt durch Hochdruckschwingungen
und wird im Brenner unter reagierenden und nichtreagierenden Bedingungen getestet. Das
kohärente Strömungsfeld und die Wechselwirkung zwischen Eindüsung und
Brennerströmungsfeld werden an drei koaxialen Positionen im Brenner nachgewiesen. Die
Frequenzanalyse der Signale bei verschiedenen Massenströmen zeigt einen linearen
Zusammenhang für das gewählte Schwingungsmodell auf. Die Druckschwankungen liegen in
sicherer Distanz zu den erwarteten Verbrennungsinstabilitäten. Die Strouhalzahl ist nahezu linear
im untersuchten Bereich.
Der zweite Teil hat die Zielsetzung, die Wirkung unterschiedlicher Piloteindüsungen auf die
Stabilität, die Emissionen und das Strömungsfeld in einem industrienahen, drallstabilisierten
Brenner bei verschiedenen akustischen Randbedingungen (kurzer und langer Brennkammerraum)
zu erklären. Die Art der Eindüsung (Brennstoff mit/ohne Luft, nur Luft) sowie Form und Position
(im Brenner unten, mittig, oben) der Düse werden bei konstantem globalen Äquivalenzverhältnis
überprüft. Die Eindüsung von über das Hauptrohr transferierter Luft durch die Pilotlanze und
einer im Brenner unten liegenden Piloteinspritzdüse zeigen die besten Resultate. Die
Unterdrückung von Instabilitäten wird bei magerer Verbrennung erreicht.
IX Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Änderungen des Dralls in der Strömung, welcher
stark durch die Auslassbedingungen der Brennkammer beeinflusst wird. Untersucht wird dies
mittels eines industrienahen, drallstabilisierten Brenners unter nichtreagierenden
Strömungsbedingungen. Die Brennkammerlänge und das Auslasskontraktionsverhältnis werden
variiert und ergeben die größte Änderung im Strömungsfeld bei einer kurzen Brennkammer und
dem kleinsten Kontraktionsverhältnis.
Die verwendeten Messtechniken sind Mikro- und Hydrofone, PIV, LIF, Hitzdrahtanemometrie,
Thermoelemente, Gasanalysatoren und OH* Chemilumineszenz-Photomultiplier mit Kamera.
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