Evaluation of heat transfer from diesel spray combustion using a heat flux sensor in an optical chamber

Abstract

This thesis was requested by Wärtsilä’s Research and Technology Development department to provide measurement data for Computational Fluid Dynamic modules to conjugate heat transfer analysis on fuel injector spray combustion. An Optical Spray Combustion Chamber was used for measurement, to replicate the environment of engine combustion chambers. Additionally, it was possible to record visual data during the spray combustion sequence. Other measurements were performed in parallel to provide additional data for this measurement campaign. These data include spectrometry, pyrometry, phosphor thermometry, and both monochromatic and color pictures using high-speed cameras.

Method of measuring heat transfer was with Gradient Heat Flux Sensor capable of measuring heat flux through the sensor. The goal of this thesis was to design installation methodology for sensors capable of withstanding repeating combustion sprays. Preparation of components with sensors is discussed in detail. Measurement setup planned was to have combustion spray hitting a flat surface where sensors would be installed. This simple setup would be then replicated with future simulation models. Gathered data would be used to assess the performance of the model.

Instrumentation method used to install sensors inside the combustion chamber showed two main problems. Firstly, the Instrumented corner modules installed to the combustion chamber broke during initial testing. Damage was caused by the pre-combustion sequence. Pre-combustion sequence is used to provide correct gas mixture and pressure inside the chamber. Adhesive layer broke down from the detonation wave hitting the sensor. The second important problem faced was with signal noise from ground loop. Due to the noise pre-calibration work done on sensors could not be used.

Sensors installed on the instrumented plate were able to survive 30 combustion sequences. These included 30 pre-combustions and 15 spray combustions hitting the plate. Eleven measurements were able to be used to measure an average heat flux. Due to the noise signal recalibration was required. New sensitivity was calculated from surface temperature on the instrumented plate. Phosphor thermometry was used to measure an average temperature. Measurement point was at 11 ms after Start of Energization of the injector. Data recorded showed that 880 K was reached during that moment. Heat flux during the spray combustion sequence was calculated from these results. Peak heat flux was estimated to be between 2 – 3.5 MW/m2 or 4.5 – 8 MW/m2 depending on the assumed peak surface temperature.

Tämä diplomityö on tehty Wärtsilän Tutkimus- ja Teknologiakehitysosastolle tarjoamaan mittausdataa laskennallisten virtausdynamiikkamoduulien käyttöön. Tutkimuskohteena oli moottorin suuttimen aiheuttama lämpövirta palamiskammiossa. Mittaukset suoritettiin optisessa palamiskammiossa, joka jäljitteli moottorin palotilaolosuhteita. Palamiskammio mahdollisti palamisen visuaalisen tallennuksen. Muita mittauksia tehtiin mittauskampanjan aikana spektrometrillä, pyrometrillä, valomonistinputkella lämpötilan mittaukseen fosforipinnasta sekä suurnopeuskameroilla.

Lämpövirta mitattiin Gradient Heat Flux -sensorin avulla, joka pystyi mittaamaan lämpövuon anturin läpi. Työn tavoite oli suunnitella anturin asennusmenetelmä, joka kestäisi toistuvia palamistapahtumia. Työhön kuului antureiden instrumentointi mittauskomponentteihin. Päämittaustavoite oli saada suuttimen suihku osumaan instrumentoituun levyyn. Levyn pinta oli sileä simulaatiomallin yksinkertaistamiseksi. Kerättyä dataa käytettäisiin mallien toimivuuden arvioimiseen.

Antureiden asentamisessa palamiskammioon ilmeni kaksi pääongelmaa. Palotilaan asennetut instrumentoidut kulmamoduulit rikkoutuivat ennen palamistapahtumaa. Pääsyynä oli kammiossa tehty esipalaminen. Esipalamista käytetään oikean kaasuseoksen ja paineen saavuttamiseksi kammiossa. Anturin ja komponentin välinen liimakerros petti esipalamisen aiheuttaman räjähdysaallon vaikutuksesta. Toinen havaittu ongelma oli antureihin kohdistuva signaalihäiriö. Signaalihäiriön takia antureiden kalibrointeja ei voitu mittauksissa käyttää.

Instrumentoidulle levylle asennetut anturit kestivät 30 palamisjaksoa. Näihin sisältyi 30 esipalamista ja 15 varsinaista palamista. Näistä mittauksista 11 pystyttiin käyttämään keskimääräisen lämpövuon mittaukseen. Anturit uudelleenkalibrointiin signaalimelun takia. Antureiden uusi signaaliherkkyys laskettiin instrumentoidun levyn mitatusta pintalämpötilasta. Lämpötila 880 K mitattiin 11 ms suuttimen käynnistyshetken jälkeen. Palamisen lämpövuo laskettiin tämän tuloksen avulla. Laskettu huippulämpövuo oli 2 – 3.5 MW/m2 tai 4.5 – 8 MW/m2 välillä riippuen instrumentointilevyn huippupintalämpötilasta.