Premixed hydrogen-air flame temperature by tomographic BOS technique

The EU’s carbon neutrality target by 2050 has grown research activity in replacing fossil fuels in combustion-based technologies. Hydrogen high availability and capability to burn without CO2 release make it a promising option for meeting the EU’s climate goals. Investigating hydrogen flames is fundamental for understanding their properties and assessing their suitability for future combustion-based applications. The Background Oriented Schlieren (BOS) technique is applied to a Bunsen premixed hydrogen-air flame. Images acquired during experimental activities are analyzed by DynamicStudio 7.3 to obtain displacement maps due to variations of the refractive index induced by the flame presence. Thanks to hot-wire anemometry measurements, it is proved that the flame exhibits axisymmetric behaviour. This finding justifies the application of the ARAP transform (Arbitrary Ray Axisymmetric Projection) to evaluate the refractive index field of the flame. Introducing ideal gas behaviour and constant composition assumptions, it is possible to estimate the temperature distribution at each point of the flame. The estimated temperature field is compared with temperature measurements performed with a type-S thermocouple. It is found that, diaphragm aperture setting significantly affects the outcome of BOS, suggesting that it is preferable to work with f/stop that provide greater depth of field. Moreover it is observed that the regularization parameter λ of the ARAP transform has an impact on the BOS result, but its optimization varies from case to case, suggesting the need for personalized calibration. The comparability of temperature results with thermocouple measurements highlights the potentiality of the technique for such applications, despite improvement in the thermocouple measurements are required for a more accurate validation of the proposed technique.

L’obiettivo di neutralità carbonica dell’Unione Europea entro il 2050 ha stimolato l’attività di ricerca volta a sostituire i combustibili fossili nelle tecnologie basate sulla combustione. L’ampia disponibilità di idrogeno e la sua capacità di bruciare senza rilasciare CO2 lo rendono una promettente opzione per raggiungere gli obiettivi climatici dell’UE. Investigare le fiamme di idrogeno è fondamentale per comprendere le loro proprietà e valutare la loro idoneità per future applicazioni basate sulla combustione. La tecnica Background Oriented Schlieren (BOS) è applicata a una fiamma Bunsen premiscelata di aria e idrogeno. Le immagini acquisite durante le attività sperimentali vengono analizzate con DynamicStudio 7.3 per ottenere mappe di spostamento dovute alle variazioni dell’indice di rifrazione indotte dalla presenza della fiamma. Grazie alle misurazioni tramite anemometria a filo caldo, è stato dimostrato che la fiamma presenta un comportamento assialmsimmetrico. Questa scoperta giustifica l’applicazione della trasformata ARAP (Arbitrary Ray Axisymmetric Projection) per valutare il campo di indice di rifrazione della fiamma. Introducendo le assunzioni di comportamento di gas ideale e composizione costante, è possibile stimare la temperature in ogni punto della fiamma. Il campo di temperatura stimato viene poi confrontato con le misurazioni di temperatura effettuate con un termocoppia di tipo-S. Si è scoperto che le impostazioni dell’apertura del diaframma influenzano significativamente i risultati della tecnica BOS, suggerendo che sia preferibile lavorare con valori di apertura (f/stop) che forniscono una maggiore profondità di campo. Inoltre, si è osservato che il parametro di regolarizzazione λ della trasformata ARAP ha un impatto sui risultati della tecnica BOS, ma la sua ottimizzazione varia da caso a caso, suggerendo la necessità di una calibrazione personalizzata. La comparabilità dei risultati di temperatura con le misurazioni ottenute tramite termocoppia evidenzia il potenziale della tecnica per tali applicazioni, nonostante siano necessari miglioramenti nelle misurazioni con termocoppia per una validazione più accurata della tecnica.