以POD 分析單股、雙股至三股進流數影響之層狀化燃燒流場，有效獲得其時 空動態特性，並歸納出進流數所形成之燃燒流場特性基於進流數和出口區鈍體結 構耦合的特性，因此本章透過操控進流數效應提出三種層狀化燃燒之穩焰方法。首 先探討單股甲烷貧油飄焰及加入空氣共伴流影響轉化為穩定之類錐焰型態等穩焰 機制；其次探討隨著當量比變化，貧、富油時不同火焰型態和多渦漩結構交互作用 對穩焰機制的影響，並歸納出壓縮渦對幫助穩焰的特性。第三則是應用層狀化燃燒 之熱擴散不穩定性影響歸納出貧油由低頻大尺度結構主導，富油則由出口處高頻 小層流化結構主導之火焰和流場交互作用關係。
5-1 空氣共伴流穩焰效應
5-1-1 單股進流
圖5-1a 和 b 分別為單股進流之中間火焰型態分佈圖以及其操作區間分佈圖，
隨當量比逐漸接近定當量點1，火焰型態由接近吹熄(near blowout)轉變為相對較穩 定之飄焰(lift-off)，最後形成穩定之錐焰(cone flame)。操作區間的部分，貧油可燃 極限可到0.56，顯示層狀化燃燒器在開放空間下無須增加額外的輔助，即可達到良 好的貧油燃燒效能。在流速低於1 m/s 時，火焰在當量比 0.9 時發生熄滅，原因在 於流速過低無法提供燃燒反應足夠的能量而熄滅。而在流速高於1 m/s 時則是因為 火焰傳播速度無法抗衡流速，最終導致吹熄(Shoshin et al., 2013)。
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圖5-1 (a)火焰型態，(b)穩定操作區間分佈圖
由於反應區會發生極大的密度變化，火焰和流場間的交互作用會強烈影響火 焰幾何形狀，進而改變火焰傾角(oblique angle)，對飄焰的影響則更為明顯(Lawn, 2009)。由於在本研究中火焰型態可視為簡單的二維結構(如圖 5-1 所示)，因此傾角 即為直接由照片量測火焰尖端與水平面之間的夾角。如圖5-2 所示，火焰傾角在出 口流速為1 m/s 時降至最小值 45.5∘，由於角度越小代表火焰尖端越彎向上游和火 焰傳播速度較快，這一特性也和穩定操作區間所獲得的分佈趨勢相同。
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圖5-2 當量比 0.85 之飄焰隨出口流速改變之火焰傾角 5-1-2 雙股進流
在注入空氣共伴流形成雙股進流模式之燃燒流場部分，藉由改變中間火焰燃 氣之當量比(
m = 0.5-0.95)與出口流速(Um = 0.5－4.0 m/s)，共伴流速比值γ
(Uo/Um) 在0.3－0.7 之間(依燃氣的出口速度而定)。結果顯示於內側注入共伴流對中間火焰 並無影響，然而外側共伴流卻能改變中間火焰型態。經共伴流改善後飄焰結構轉變 至較穩定之類錐焰(cone-like flame)結構，如圖 5-3 所示。以雷射斷層診斷法(laser tomography)進行之流場可視化實驗，其實驗方法與 PIV 相近，唯不同之處在於使 用數位相機以拉長曝光時間之方式來取代高速攝影機之暫態影像，能初步觀察流 場動態行為(Nishimura et al., 1999)。比較內側和外側注入共伴流後的流場可視化影 像，發現主因是中間火焰受空氣共伴流影響而於出口鈍體結構處強迫燃氣迴流至 低壓區形成共伴迴流結構(co-recirculation zone)，進而促使火焰型態由飄焰轉變為 類錐焰，因此將著眼在外側共伴流對中間火焰之影響及機制，如圖5-4 所示。87
圖5-3 雙股進流時注入共伴流之火焰型態變化
圖5-4 由火焰影像疊加擬似線(pseudo lines)之流場可視化影像(a)注入內側共伴 流，(b)注入外側共伴流
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圖5-5a 為固定燃氣當量比
m = 0.85，橫軸為中間火焰燃氣的出口流速 Um(範圍0.1－2.0 m/s)；縱軸則為外環口空氣共伴流的速度Uo。要產生類錐焰所需最低限度
的空氣共伴流速度值，定義為有效空氣共伴流速度Uo*，實驗結果顯示有效空氣共 伴流速度不是定值，而是隨著中間火焰的燃氣速度改變。此結果和許多關於飄焰注 入共伴流影響之特性研究不同，Montgomery et al. (1998)指出隨共伴流注入會增加 飄焰長度，而Muňiz and Mungal (1997)也指出飄焰長度隨共伴流流速增加而增加。
本文中共伴流對飄焰的影響來自火焰和共伴流流場引發之共伴迴流區結構之間的 交互作用，由於火焰反應區所在位置為火焰傳播速度和燃氣流速相互平衡，鈍體結 構所提供之低速迴流區可蓄積熱量而使火焰向更上游傳播。換句話說，由於迴流區 的形成決定混合能力和火焰穩定性，因此流速比將是一個很重要的參數(Esquiva-Dano et al., 2001; Yang et al., 2002)。圖 5-5b 所示為隨中間火焰流速改變的流速比 值，當Um小於0.5 m/s 時流速比需大於 1 才能改變飄焰，而當Um大於0.5 之後流 速比值則快速減至小於1。這是因為當中間火焰流速過小時不足以得到維持自身反 應的能量，因此須靠更大的流速比來包覆反應後的高熱產物，類似於接近吹熄時之 鈍體穩焰效果(Dawson et al., 2011)。而當 Um大於0.5 之後由於火焰本身具有足夠 反應能量而不須再倚靠包覆效果，所以此時共伴流之作用為提供隔絕及具備足夠 動能之氣牆，使熱能蓄積在共伴迴流區當中。火焰型態轉變所需有效空氣共伴流速 最小值發生在流速1 m/s 可由火焰穩定操作區間特性來解釋，由於層狀化燃燒器操 作區間在此流速下具有最大操作範圍，同時飄焰之傾角最小，此時火焰傳播速度為 最快，代表火焰反應在此情況下最為強盛，因此只需最小的外在輔助及可達到穩焰 的效果。
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圖5-5 (a)外環有效空氣共伴流速度 Uo*隨中環速度Um改變之分佈，(b)有效流速比 值
γ
(Uo/Um)隨中環速度Um改變之分佈(中環當量比
m = 0.85)以高速PIV 量測中間飄焰(
m = 0.85; Um = 0.5 m/s)在受到外環空氣共伴流的影 響進而轉變成類錐焰結構的過程，流速比值分別為γ
= 0、0.6 和 1.1，影像擷取速90
度為2000 fps，解析度為 1280×480 pixels，因此空間解析度為 54 μm/pixel，追蹤粒 子影像經運算處理後得到平均速度向量與流線資料，取局部如圖5-6 所示。圖 5-6a 在無空氣共伴流的情況下，中間火焰靠近外側的地方被吹昇而造成燃氣未反應即 逸散至大氣中，造成燃料浪費並使燃燒反應強度降低。圖5-6b 已加入空氣共伴流 但仍小於有效空氣共伴流速，因此迴流結構滲透進入靠近飄焰底部，造成熱散失增 加而無法使飄焰發生轉變。圖 5-6c 則是在空氣共伴流速超過有效空氣共伴流速後 形成的類錐焰結構，此時外側空氣流速提升的結果使其噴出後筆直地朝下游離去，
完全沒有空氣迴流，所以中外氣道之間的低壓區只能由中間火焰可燃氣迴流填補。
由共伴迴流區中可觀察到在飄焰時的捲入外側氣流轉變至類錐焰時的衝擊反轉流 場結構，使高溫燃氣蓄集在共伴迴流區當中。由於這個衝擊反轉流場結構類似於對 流型燃燒流場，且受益於流體動力結構而強化穩焰並幫助拓展貧油可燃範圍(Dally et al., 1998)。因此就像傳統上被歸類於停滯流場的側向衝擊結構，會直接改變火焰 型態並且影響燃燒流場的主流運動方向和穩焰機制。圖5-6a 和 c 中虛線所示之截 面A 為距離出口高度 4.3 mm 處，比較此處的水平速度分量(U)可發現在超過有效 空氣共伴流速後水平速度分量明顯增加許多(圖 5-7)，代表中間火焰燃燒後燃氣轉 向進入共伴迴流區中達到蓄積熱源的效果；此外由圖5-6 可見截面所在位置速度量 值相近，因此水平速度分量增加意謂垂直方向速度分量減少，造成火焰能向上游傳 播而形成類錐焰結構。
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圖5-6 中間飄焰隨共伴流速比變化之影響(a) γ = 0，(b) γ = 0.6 和(c) γ = 1.1
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圖5-7 空氣共伴流速度的燃燒流場中的 X 軸向速度分量U (中環至外環上方(a) 4.3 mm, (b) 8.2 mm ,and (c) 12.1 mm 橫截面處)
由於火焰與空氣共伴流交互作用的關鍵區域在中環與外環之間的共伴迴流區 結構，所以利用數位式熱電偶量測此區域的溫度分布情形，沿著燃燒器表面上方1
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mm 高度由內至外每隔 2 mm 為溫度量取點，一共量測 3 個點，量測結果如圖 5-8，
在飄焰的情況下，此區域的溫度約在350 K，僅比室溫高出 50 K 左右，然而在類 錐焰的情況下此區域有已燃氣體回流，最外側靠近外環空氣共伴流的一邊尚有430 K，而靠近中環側的溫度則可高過 740 K。由空氣共伴流效應所產生的這個高溫共 伴回流區可減低反應產生的熱量向外擴散逸失的速度，使中環類錐焰的火焰傳播 速度加快而能夠持續穩定地燃燒。
圖5-8 飄焰與類錐焰底部外側的溫度分佈圖
為了比較有無注入空氣共伴流下的反應強度，本文進一步用總合固定面積內 的化學螢光強度的方式作為火焰燃燒反應的相對強度指標，而由前人的文獻證實 為一可行的比較燃燒反應強度的方式(Dawson et al., 2011)。實驗以高速攝影機擷取 條件為100 fps 和解析度 800×504 pixels 之中間飄焰(
m = 0.85; Um = 1.0 m/s)在不同 空氣共伴流速下的碳氫基化學螢光影像。選取的面積集中在中間火焰的位置，以避 免過多背景的螢光雜訊干擾中環火焰碳氫基化學螢光的強度值。中間飄焰之CH*化學螢光強度在不同空氣共伴流速比值(γ = 0 和 0.33)下隨時 間變化如圖 5-9 所示，截取時間長度至少大於 700 ms，超過火焰的特徵週期以確 保記錄的強度分布不會出現漏失的狀況。總合固定面積的 CH*強度在空氣共伴流
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超過有效共伴流速(在此中間飄焰條件下為 γ = 0.33)時明顯增強，且隨時間變化皆 呈現穩定的分布趨勢，代表此時空氣共伴流效應幫助中間飄焰反應強度提升，
以及強化火焰結構而減低火焰擺盪、局部熄滅等不穩定性現象產生的可能性。因此 透過比較在超過有效空氣共伴流速度影響下的流場和火焰強度分析，可發現在鈍 體結構後方的共伴迴流區部分所形成的減速區和其蓄積的熱量是增強貧油燃燒穩 焰和燃燒效率的主要穩定機制。
圖5-9 中環飄焰(
m = 0.85; Um = 1.0 m/s)和注入共伴流流速比 0.33 下之 CH*化學螢光強度隨時間變化圖 5-2 壓縮渦對效應
本文探討層狀化燃燒器所產生的壓縮渦對流場結構，可使燃燒器的穩定操作 區間，在開放空間下擴展至
= 0.5 之穩焰機制。同時探討火焰和流場間交互作用，本文探討層狀化燃燒器所產生的壓縮渦對流場結構，可使燃燒器的穩定操作 區間，在開放空間下擴展至