第一章 前言
1-1 研究背景
在工業革命後，科技的長足進步不斷提升文明水準，但追求快速發展以獲得更 好的生活品質時，能源耗竭與生態環境汙染的問題也隨之而生。時至21 世紀，由 於社會的經濟活動及科技發展是建立在大量消耗化石燃料等不可再生能源的基礎 上，這些燃料透過轉換而成可方便利用的電力，舉凡家庭生活、工業生產、科學研 究乃至航太工程等皆須仰賴電力的供給，更加突顯能源對人類社會的重要性。然而 人們恣意揮霍化石能源，地球有限的自然資源並無法負擔過度的消耗，加上溫室效 應造成各種氣候異常的現象，種種自然環境的反撲讓許多人開始反思，長久以來所 習慣的能源使用方式是否有調整的需要。近年來能源議題與環境友善的思潮開始 影響社會的價值觀，進而了解到在利用能源發展科技為人類帶來便利的同時，也必 須思考如何與環境友善共存。許多國家政府及全球論壇等官民組織已致力於散播 正確利用能源的觀念，並迫使社會正視重新制定能源政策方向的必要性，諸如1997 年的「京都議定書」與2010 年的「哥本哈根會議」等，以挽救地球的生態浩劫，
甚至是人類文明的存續。體認到科技發展必須和環境友善共存，各國的能源政策主 要兩個方向：其一是如何更有效的利用能源以減低發電廠、內燃機乃至生活用的燃 燒器具等有關燃燒的工具設備其碳排放及汙染物的生成；其二則是開發潔淨的再 生能源技術以取代對化石燃料的倚賴性。根據預估在未來20 年內人類所使用的能 源85 %仍是從燃燒化石燃料而來，期望迅速改變現有化石能源的使用方式並不切 實際，然而對新一代能源科技的研發也不能停頓，在前述兩個能源發展方向均不可 偏廢的原則下，利用貧油燃燒、發展低熱質燃料之燃燒科技及強化燃燒穩定性則變 成為極有潛力的方案。
燃燒科技的發展已有長遠的歷史，在前人戮力研究的努力之下人們已對燃燒 及火焰有許多新的認知，然而燃燒反應是極為複雜的物理化學耦合的動態反應行
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為，以往研究者受限於觀察的時間尺度而無法進一步窺知整體的樣貌。隨著量測技 術的快速發展，高速燃燒量測技術為現今的研究人員掀開了全新的篇章，也帶領人 們得以看到以往出現在想像中卻難得一見其真面目的許多重要現象。透過高速量 測技術，迅速累積的大量資料有助於研究者深入探討現象背後的機制，然而龐大的 資料量同時包含有用及無用的訊息，因此發展可去蕪存菁客觀地從中提取最重要 且不失真的訊息進一步分析將是非常重要的處理方式。此外因為貧油燃燒及低熱 質燃料之燃燒熱值、來源廣泛且成分也較工業上或家用燃料等常使用的能源方式 來的複雜，造成進入實際應用階段的困難，因此透過新式量測技術與分析方法將有 助於克服此一困難。在燃燒領域中，對於如何提升能源使用效率及降低汙染物排放 等問題已有許多探討，包括燃燒器的幾何設計、不同種類燃氣及調配比例，和加入 觸媒及預熱燃氣等方式，而將此技術運用在生質合成氣燃燒的能源使用方式也越 來越受到重視。本實驗室所開發之層狀化燃燒器和衝擊燃燒器因具有特殊的幾何 結構設計能加強混合及預熱效果，在林泓瑋(2010)、和李志杰(2009)等人的研究中 均提出燃燒器確實能達到如拓展操控範圍及降低汙染物等節能效果的結論。本研 究以層狀化燃燒器作為載具，探討層狀化預混火焰在不同進流數下其流場和燃燒 場之交互作用影響。實驗方法上透過建立粒子影像測速儀以及化學螢光法之燃燒 流場量測技術探討燃燒反應與流場特性的變化，並發展基於POD 之數學分解方法 分析連續暫態燃燒流場，從而歸納出共伴流渦旋結構操控機制、壓縮渦對穩焰機 制，和貧、富油火焰和流場時空結構變化特性，期望最終能作為燃燒器設計的準則 以及應用在燃燒系統的即時監測和反饋，並在未來能對燃燒科學的發展有所貢獻。
1-2 研究動機與願景
自普羅米休斯(Prometheus)取下第一把火，就註定人類與燃燒糾結的命運，如 同傳承人類對科學永無止盡的探索一般，這把古老卻又神秘的火吸引眾人不斷探 究本質的心，過去如此，未來也必然如此。
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人類文明始於火的使用，燃燒在數千年歷史中更是一直扮演著重要的角色，自 遠古時代的烹煮熟食至冶煉農耕器具，從鍛造戰爭武器到內燃機的發明，燃燒可說 是照亮人類文明的一把熠熠火炬。雖然時至今日燃燒的應用已相當廣泛，但由於燃 燒反應的過程極為複雜，除了本身的化學熱釋放反應之外，還牽涉到流場結構的影 響，造成其熱傳及質傳系統複雜難解，因此燃燒領域仍有許多問題尚待深入的研究 探討。鑽研燃燒科學不僅是滿足人類對火焰的好奇心，也是驅動燃燒科技幫助人類 在 能 源 使 用 上 的 關 鍵 。 燃 燒 反 應 可 大 致 分 為 火 焰 點 燃(ignition) 、 火 焰 傳 播 (propagation)和火焰熄滅(quenching)等過程，每個部分都與火焰在現今的人類生活 甚至是未來的發展息息相關，只有透過研究火焰反應機制來建構更加清晰的知識，
才能幫助我們能以更安全、更有效率的方式與火焰共存。綜觀燃燒科學的發展，火 為人類帶來便利但同時也具有危險，複雜的燃燒反應過程若缺乏精準的調控，不僅 造成能源使用效率低落，更會產生許多有害物質，諸如CO 與 NOx 等危害環境的 污染物，因此燃燒技術勢必與時俱進不斷提升。此外燃燒科學在工業上的應用範圍 非常廣泛，其中又以燃燒器與我們的生活最為相關。燃燒器在日常生活中使用量非 常大，但其效率與安全的問題始終存在改進的空間，以往由於燃料取得相對廉價，
造成社會大眾對其效率的問題較不重視，透過發展高速燃燒流場量測技術結合 POD 處理萃取主導特徵結構，研究燃燒器設計的影響、燃氣組成和火焰和流場間 的交互作用，以至其時空動態反應特性，將有助於對整體燃燒系統在即時響應特性 上有更深入且客觀的了解。本文探討層狀化燃燒的火焰和流場交互作用，由平均流 場和火焰強度分布、POD 分解、重組及動態特徵，歸納其操作特性和燃燒反應機 制，期望作為未來有效調控燃料使用方式和提升能源使用效率之基礎。
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