本章探討層狀化燃燒器之進流數效應對流場和燃燒場間交互作用的影響，由 於流速梯度差引發不同頻率之建設性或破壞性振盪，會產生相對應之增幅或壓縮 之特性(Kim et al., 2010)，代表此時燃燒流場的火焰和流場是在極為複雜的交互作 用下進行。進流數效應是以層狀化燃燒流場在固定各出口流速及當量比的條件下，
分為單股(single inflow)、雙股(double inflow)和三股(triple inflow)分析其火焰型態、
平均流場及燃燒場特性，火焰反應強度與紊流強度之作用特性，並利用POD 模態 分解分析燃燒流場之時間及空間動態變化特性。
4-1 火焰型態
在固定出口流率均為13 l/m 及當量比均為 0.7 的條件下，分別注入單股、雙股 及三股甲烷燃氣形成火焰型態，此時內側、中間及外側氣道之流速分別為1 m/s、
0.54 m/s 和 0.37 m/s，實驗利用 Nikon D90 記錄在不同進流數條件下之火焰型態。
如圖4-1 所示。首先在單股燃燒流場中(中間火焰)，外側受到燃燒器外圍及冷空氣 被捲入的影響而吹昇形成飄焰(Lin et al., 2009)；內側則因為鈍體形成低速迴流區而 有聚熱的效果，進而幫助穩焰(BeeÂr and Chigier, 1983; Pan et al., 2009)。在雙股燃 燒流場的部分(中間火焰和外側火焰)，中間火焰受到外側火焰包覆降低外側環境的 影響，加上兩股火焰之間的交互作用幫助而使中火焰形成錐焰。在三股燃燒流場 時，加入的內火焰由於流速過快而接近吹熄造成火焰長度變長，連帶迫使中和外火 焰之火焰高度被迫提升。火焰型態通常是反映燃燒流場特性最直觀的方式，藉由觀 察火焰型態可得知火焰長度、火焰位置、反應區分佈範圍及火焰螢光等基本特性。
在固定流率的層狀化燃燒流場下，可發現對於貧油火焰而言增加第二股火焰確實 可幫助燃燒反應達到較穩定的火焰結構，而第三股火焰雖然高度增加，但火焰厚度 及反應區面積較大應能有助於穩焰。對於層狀化燃燒流場而言，火焰和流場的交互
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作用受到其結構強弱以及相對應位置，包括迴流區以及剪流層區在貧油預混火焰 燃燒反應過程中的所產生的影響(Seffrin et al., 2010; Böhm et al., 2011)，因此必須 透過PIV 以及火焰螢光分佈進一步探討其特性。
圖4-4 單股、雙股及三股甲烷火焰型態及燃氣注入示意圖(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7)。
4-2 平均流場及燃燒場特性
利用光學診斷技術包含PIV 和化學螢光影像探討層狀化燃燒流場的平均特性，
單股、雙股及三股進流之進氣道開放配置如下：單股進流為中間出口，雙股進流為 中間及外側出口，三股進流則為各進氣道全開，探討平均流場和燃燒場特性。由於 層狀化燃燒器為對稱結構，因此皆以半側燃燒流場代表。PIV 之空間及時間解析度 分別為1280×1024 pixels 和 1000 fps。化學螢光的部分分別以影像擷取率為 10 fps 和4000 fps 擷取位於 431.5 nm 的 CH*自由基之螢光(Gaydon, 1974)。圖 2 至圖 4-4 所示分別為單股、雙股及三股進流之平均速度場，圖 4-4-5 至圖 4-4-7 所示分別為單 股、雙股及三股進流之平均渦度場。由於受到出口鈍體的影響，燃燒流場在出口區 均有明顯的迴流區結構生成。圖4-5 顯示單股燃燒流場在出口處左側形成逆時鐘的
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渦旋結構，右側則形成順時鐘渦旋結構；圖4-6 顯示在雙股進流時，受到加入外側 火焰的影響，兩股火焰中的鈍體結構因為互相擠壓形成另一渦對結構。圖4-7 顯示 在三股流場中，加入內側火焰因為流速較高，而在內側鈍體出現最為明顯的迴流結 構。由於平均使特徵平滑化，只能看到主流方向的運動(Coats, 1996)，但混合通常 發生在流速差的邊界上，因此須借助其他方式才能進一步解析。
圖4-2 單股進流之平均速度場(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7)。
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圖4-3 雙股進流之平均速度場(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7)。
圖4-4 三股進流之平均速度場(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7)。
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圖4-5 單股進流之平均渦度場(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7)
圖4-6 雙股進流之平均渦度場(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7)
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圖4-7 三股進流之平均渦度場(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均為 0.7) 藉由連續暫態反應流場速度分佈可進一步計算出 x 與 y 方向上的速度擾動量 並將其轉換成紊流強度，因此將藉由探討紊流強度分佈(turbulence intensity)對火焰 的影響，以瞭解全域燃燒流場中火焰和流場的交互作用特性。紊流強度資訊來源為 1000 張暫態速度場運算所得之數值，而紊流強度分布為流場速度擾動的程度，其 定義如下：
2 2
( ' ' ) / 2 Turbulence intensity =
o
u v U
(4-1)
其中u與v分別為 X 與 Y 方向上的平均速度擾動量，U則是平均出口流速(Yang et al., 2002)。圖 4-8 為單股、雙股及三股燃燒流場之紊流強度除以最大紊流強度後 得到的無因次化的PDF 分佈圖，具有兩個明顯的特徵：
1. 隨著進流數增加，紊流強度 PDF 分佈的峰值逐漸增加，由於紊流強度代表 燃燒流場中剪流層的強弱，因此峰值越大代表剪流層強度越強，說明進流數增加會
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增強燃燒流場中紊流強度峰值增強。
2. 紊流強度峰值和進流數目成正比，然而高紊流強度的部分會逐漸增加使其 峰值分佈所佔之比例會逐漸下降，分佈曲線特性由平順圓滑變為轉折彎曲，代表增 加進流數不僅會提高峰值，也會增加部分高紊流強度的分佈。
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圖4-8 單股、雙股及三股燃燒流場紊流強度 PDF 分佈圖
圖4-9、4-10 和 4-11 分別為單股、雙股及三股進流之燃燒場分佈圖，由於化學 螢光強度分布的比較易受到雜訊干擾，此定性的量測是根據個別的操作條件設定 下的量測值，因此不能比較不同操作條件下的強度特性。首先在單股進流時，此時
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單股貧油火焰非常微弱，被向上吹離燃燒器出口約5 mm，也可發現整體火焰位置 有向內偏移的趨勢，由於中央鈍體提供一可蓄熱的空間，因此使火焰較能持續在內 保持反應熱能，類似以鈍體燃燒器穩焰之火焰接近吹熄時之特性(Dawson et al., 2011)。當加入第二股進流時，出現外側飄焰，而中間火焰明顯受到外側火焰幫助 而使火焰根部貼近燃燒器出口約2 mm 處；當加入第三股進流時，整體火焰高度雖 然向上提升至 5 mm 處，但是火焰強度分佈出現從內側迴流區往剪流層擴張的趨 勢，代表加入第三股進流拉長火焰結構，但貧油火焰間的預熱和混合交互作用幫助 仍使火焰強度增強。
圖4-9 單股進流火焰平均燃燒場強度分佈(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均 為0.7)
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圖4-10 雙股進流火焰平均燃燒場強度分佈(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均 為0.7)
圖4-11 三股進流火焰平均燃燒場強度分佈(固定出口流率均為 13 l/m 及當量比均 為0.7)
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圖4-12 為使用高速攝影機在 10 fps 情況下擷取三股進流燃燒流場之 CH*原始 影像時序圖，以及加裝訊號放大器後在4000 fps 情況下擷取的原始影像時序圖(圖 4-13)和平均強度圖(圖 4-14)。在以高速攝影機直接擷取的情況下，由於 CH*在極 貧油時強度非常微弱因此影像需要長曝光時間來收集足夠強度，造成有很明顯的 火焰晃動形成的長軌跡(圖 4-12)。另一方面，加裝訊號放大器後即使在 4000 fps 情 況下，也能捕捉到極為明顯的火焰螢光強度(圖 4-13)，但缺點即是訊號放大器放大 火焰螢光強度訊號，同時也放大雜訊，因此造成影像不像以高速攝影機直接拍攝的 銳利。然而在4000 fps 高速拍攝下確實能捕捉到 10 fps 拍攝時所看不到的一些特 徵，比較兩者之螢光強度在空間分佈上的差異，可發現高速拍攝下具有很明顯的擺 盪幅度，特別是在剪流層上較明亮的火焰面有向中心鈍體內縮的趨勢(圖 4-14)，這 些是在10 fps 長曝光下所觀察不到的現象。此外由於當量比 0.7 之貧油火焰非常接 近吹熄發生的臨界點，由高速影像可發現局部火焰熄滅，火焰被拉長厚度縮減，終 至形成島狀火焰碎片而消散，此特性也與文獻上研究者所觀察到的趨勢相仿 (Shanbhogue et al., 2009; Dawson et al., 2011; Chaudhuri et al., 2010)，在接近吹熄時 雖然具有局部火焰熄滅的特性，此時燃燒流場主要的特徵仍是劇烈的飄動和振盪 現象。
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圖4-12 三股進流之 CH*螢光強度暫態分佈圖
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圖4-13 三股進流之 CH*螢光強度暫態分佈圖(加裝訊號放大器)
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圖4-14 加裝訊號放大器擷取之三股進流 CH*螢光強度平均分佈圖(固定出口流率 均為13 l/m 及當量比均為 0.7)
在燃燒流場中紊流強度和火焰強度是非線性耦合的交互作用，取決於兩者間 相對的化學反應和紊流化的程度。化學反應帶來熱釋放和劇烈溫度梯度變化並隨 之改變流體性質如密度、黏滯度和膨脹率(dilatation)等，這些變化同時也會反過來 影響紊流化程度，影響這過程中反應物和生成物間質量、動量和能量傳遞特性以及 火焰結構(Poinsot, 2012)。前人研究指出紊流強度增加會使火焰反應區變廣(Peters, 2000)，然而 Poludnenko and Oran (2010)則觀察到不受紊流強度影響之不同的現象。
由化學螢光和紊流強度之 PDF 分佈分別計算其平均機率強度(mean probability intensity)而獲得一統計強度值，其定義如下：
intensity = k intensity = 1
Mean probability intensity =
probability intensity(4-2) Intensity 代表化學螢光強度，Probability 則代表螢光強度出現之機率，因此兩 者乘積可視為整體強度之指標，圖4-15 即為化學螢光及紊流強度隨進流速變化分 佈圖。隨進流數增加，化學螢光強度及紊流強度都隨之增加，但其增幅(斜率)變大
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顯示火焰交互作用是非線性的影響(Balachandran et al., 2005; Ayoolan et al., 2006;
Worth and Dawson, 2012)。此外由於紊流強度為剪流層區影響程度之統計指標，進 流數增加使剪流層區的作用越趨明顯，對照流場和燃燒場的分佈也可發現此一特
Mean probability intensity
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究發展方向。在燃燒流場觀測中有三個重要的指標度量，分別為：速度、濃度和溫 度，傳統上這些度量的量測方式多以侵入式量測為主，因此容易相互影響而無法同 步獲取資訊；光學量測為非侵入式因此影響燃燒流場的程度最小而逐漸受到普遍
究發展方向。在燃燒流場觀測中有三個重要的指標度量，分別為：速度、濃度和溫 度，傳統上這些度量的量測方式多以侵入式量測為主，因此容易相互影響而無法同 步獲取資訊；光學量測為非侵入式因此影響燃燒流場的程度最小而逐漸受到普遍