title: Effect of burner design on characterisation of pulverised biomass flame
Creators: name: Antretter, Clemens
Publisher: name: TU Wien
Year: 2018
Subjects: subject: CFD
subject: PIV
subject: CFD
subject: PIV

description: Um dem stetig steigenden Energiebedarf gerecht zu werden und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, stellt Biomasse eine mögliche Alternative dar und wurde von der Europäischen Union und den Vereinten Nationen als erneuerbare Energiequelle klassifiziert. Diese Masterarbeit untersucht den Einfluss verschiedener Brennraumausführungen auf die Eigenschaften der Flamme in einer Biomasse-Staubfeuerung und im Besonderen die Auswirkung der von einer "Swirler" Düse erzeugten, rotierenden Wirbelbewegungen auf das Strömungsfeld in der Brennkammer. Das Geschwindigkeitsfeld wurde für drei verschiedene Einstellungen des "Swirlers" anhand zwei unterschiedlicher Methoden geprüft: Particle Image Velocimetry (PIV) und numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD). Die drei Swirler-Einstellungen (No-, halfund full swirl) wurden sowohl mittels dieser beiden Methoden und zusätzlich vier weiteren Verhältnissen der Auftrittsgeschwindigkeiten als Teil des PIV-Experiments untersucht. Dieses Experiment wurde im Labor der Technischen Universität Lulea durchgeführt; während des Validierungsprozesses zeigte sich eine maximale Abweichung von 6% zwischen jedem PIV-Testlauf. Während des Experiments aufgetretene Probleme und mögliche Verbesserungsansätze (z.B. verschiedene Seeding Partikel oder unterschiedliche experimentelle Einstellungen) werden in der Arbeit weiter ausgeführt. So zeigt das Geschwindigkeitsfeld für die Nound Half-Swirl Einstellungen vernünftige und replizierbare Ergebnisse, im Full-Swirl Modus allerdings fehlerhafte Vektorfelder. Diese wurden aufgrund der hohen "swirl" Bewegung und einer übermäßig schnellen Dispersion der Partikel verursacht. Dabei kam es zu einem schnellen Wechsel von axialer zu radialer Bewegung der Partikel und damit zu einer Bewegung der Partikel aus der Ebene des Laserstrahls heraus. Die CFD-Simulation des Biomasse-Staubfeuerung wurde mit der Software ANSYS - Fluent modelliert und simuliert. Die Validierung des für das Modell benutzten Netzes lieferte sehr gute bis einwandfreie Netzelemente und auch die Validierung der Simulationsberechnung bestätigte vernünftige Ergebnisse. Die Länge des resultierenden Geschwindigkeitsfelds zeigte eine starke Abhängigkeit von den Einstellungen des Swirls, zudem wird der Wechsel zu radialen Bewegungen offensichtlich und in Diagrammen dargestellt. Der Vergleich zwischen PIV und CFD weist eine sehr gute Übereinstimmung der Geschwindigkeit 2-10cm nach dem Eintritt in die Brennkammer auf. Anschließend unterscheiden sich die Werte beider Methoden wobei die Geschwindigkeitswerte der PIV Experimente deutlich schneller abfallen.
description: In order to handle the ever increasing demand of energy and reduce the dependence on fossil fuels, biomass represents a possible alternative and has been classed as renewable energy source by the European Union and the United Nations. This thesis investigates the influence of different burner designs on characteristics of pulverised biomass flame and more precisely, the impact of swirling motion created by a swirler inlet on the flow field in the combustion chamber. The velocity flow field has been determined for three swirl settings with two different methods: Particle Image Velocimetry (PIV) and Computational Fluid Dynamics (CFD). No-, halfand full-swirl setup were investigated for both methods with further four different velocity ratios as part of the PIV experiment. The experiment was conducted in the laboratory at Lulea University of Technology and validation shows a maximal deviation of 6% between each run with the PIV system. Issues faced during the experiment and potential improvements (e.g. different seeding particles or recording settings) are stated in the thesis. The velocity fields for the noand half-swirl setups show reasonable and replicable results, but the full-swirl setup resulted in spurious vector fields. This was caused by exceedingly fast dispersion of the particles, a very fast shift from axial movement to radial movement and consequently, an out-of plane movement of particles out-of the laser sheet. The CFD simulation of the biomass burner was modelled and simulated using the software ANSYS - Fluent. Validation of the mesh shows very good to perfect mesh elements and result validation confirm reasonable results. The length of the resulting velocity fields shows a strong dependence on the swirl-setting as well as the change in radial movement becomes evident. The comparison between PIV and CFD shows very good congruence of the velocity for the first 2-10cm in the combustion chamber. Afterwards, the velocity values of both methods differ with considerably faster convergence to lower values for the PIV experiment.