Investigation of Soot Formation by Optical Diagnostics: From Precursor Measurements to 3D Particle Sizing

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-01-16
Issue Year
2023
Authors
Bauer, Florian Jakob
Editor
Abstract

Up to date, the soot evolution process during hydrocarbon combustion is not fully understood. This fact basically derives from the simultaneous interplay of numerous chemical reactions linked to rapid changes, complex physical processes such as heat and mass transfer or agglomeration, and a required size of observation in the nanometric down to the atomic scale. Laser diagnostics in many cases provide high temporal and spatial resolutions and are therefore ideal to provide insight into different stages of the soot evolution process. In this work, the further development of two in situ diagnostic techniques is described. On the one hand, broadband absorption spectroscopy is applied to investigate the early stages of soot formation. Here, polycyclic aromatic hydrocarbons are considered as precursor molecules responsible for the nucleation and growth of solid soot particles. They reveal a characteristic absorption behaviour in the ultraviolet wavelength range. With the compilation of a database of the individual compounds and a simplified energetic model to account for the elevated flame temperatures, it becomes thus feasible to measure a possible species distribution in situ. The technique is further applied to observe changes in the optical properties linked to the maturity of soot particles. A change in the fine structural arrangement of the soot particles similar to graphitization tends to decrease the optical band gap value, which can be derived from broadband absorption measurements. Additionally, the type of transition is inferred from the measurements indicating towards an indirect allowed transition for mature soot particles. On the other hand, time-resolved laser-induced incandescence allows to determine the size of soot primary particles. Here, one challenge derives from the fact that these primary particles cluster to dendritic fractal-like aggregates and therefore heat conduction of particles in the centre is reduced by those surrounding them. Bayesian inference is used to investigate how much knowledge about the morphology of these aggregates is required to reliably estimate primary particle size distributions. Laser-induced incandescence is further combined with a tomographic approach to obtain 3D distributions of primary particle sizes. Here, the focus is set to the influence of periphery parameters such as the initial flame temperature or the laser profile on 3D particle sizing jointly for the first time. This work thus builds a bridge from the initial stages of soot formation by the detection of precursor molecules to the determination of soot particle sizes as an important quantity to follow the evolution process.

Abstract

Bis heute ist der Prozess der Rußentstehung bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen nicht vollständig verstanden. Dies ist im Wesentlichen auf das Zusammenspiel umfangreicher Reaktionskinetik, komplexer physikalischer Prozesse wie Wärme- und Massentransfer oder Agglomeration sowie eines erforderlichen Beobachtungsmaßstabs im Nanometer- bis hin zum atomaren Bereich zurückzuführen. Lasermesstechniken ermöglichen in vielen Fällen eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung und sind daher ideal, um Einblicke in verschiedene Stadien des Rußentstehungsprozesses zu gewinnen. In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung von zwei in situ Messtechniken beschrieben. Zum einen wird die Breitband-Absorptionsspektroskopie eingesetzt, um die frühen Stadien der Rußbildung zu untersuchen. Dabei werden polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe als Vorläufermoleküle betrachtet, die für die Keimbildung und das Wachstum von festen Rußpartikeln verantwortlich sind. Ihr Absorptionsverhalten im ultravioletten Wellenlängenbereich erlaubt es, gemessene Spektren möglichen Speziesverteilungen zuzuordnen. Letzteres erfordert die Zusammenstellung einer Datenbank mit Absorptionsspektren der Einzel-Spezies sowie ein vereinfachtes energetisches Modell zur Berücksichtigung der hohen Flammentemperatur. Die Technik wird außerdem eingesetzt, um Veränderungen der optischen Eigenschaften zu beobachten, welche mit der Alterung der Rußpartikel zusammenhängen. Eine Veränderung der atomaren Anordnung der Rußpartikel, ähnlich der Graphitisierung, führt zu einer Verringerung der optischen Bandlücke, die auf der Grundlage von Breitbandabsorptionsmessungen ermittelt wird. Zusätzlich wird die Art des optisch-elektronischen Übergangs aus den Messungen abgeleitet, welche für vollentwickelte Rußpartikel auf einen indirekt erlaubten Übergang hinweisen. Zudem kann mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz die Größe der Rußprimärpartikel bestimmt werden. Eine Herausforderung besteht darin, dass diese Primärpartikel fraktale Aggregate bilden und daher die Wärmeleitung der Partikel im Zentrum durch die sie umgebenden Partikel reduziert wird. Mithilfe der Bayesschen Statistik wird untersucht, wie viel Wissen über die Morphologie dieser Aggregate erforderlich ist, um die Größenverteilung der Primärpartikel zuverlässig zu bestimmen. Die laserinduzierte Inkandeszenz wird zudem mit einem tomographischen Ansatz kombiniert, um 3D-Primärpartikelgrößen zu erhalten. Dabei liegt erstmals der Schwerpunkt auf der Bestimmung und dem Einfluss von lokalen Umgebungsparametern wie der anfänglichen Flammentemperatur oder dem Laserprofil. Diese Arbeit schlägt somit eine Brücke von den Anfangsstadien der Rußbildung durch den Nachweis von Vorläufermolekülen hin zur Bestimmung der Rußpartikelgröße als wichtige Größe zur Verfolgung des Entwicklungsprozesses.

DOI
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