研究方法

本文以層狀化燃燒器作為載具，具有三個獨立燃氣出口和鈍體結構，使其主要 流場結構由多組渦對所組成，所形成之迴流低速區能增強此區燃氣預熱及質量傳 輸效果，加強流場之時空動態變化特性，並提升穩焰效果及拓展操作範圍。本文之 架構如圖3-1 所示。

圖 3-1 研究流程圖 3-1 火焰型態

火焰燃燒反應結合流場變化與化學反應使其機制複雜難解，其中流場受到不 同空間及時間尺度影響並與其火焰自身之化學變化產生交互作用，使火焰模式多 變而加深分析上的困難度。由於不同火焰型態可透過歸納分析其特徵，可直觀的了 解最初步燃燒流場之異同處，因此觀察火焰型態分佈是為研究燃燒反應之基礎。

29

3-1-1 燃燒模式

燃燒器作為燃燒反應之載具，依據所使用之燃料種類及燃料與氧化劑混合之 情況不同皆會產生不同型態的火焰。如文獻回顧中所提及，燃燒反應依燃料與氧化 劑混合之狀況可分為預混火焰與擴散火焰，其外觀及特性會有極大的不同。預混火 焰是指在燃燒反應前已將燃料與氧化劑作充分混合，而擴散火焰則是分別通入燃 料與氧化劑，使燃燒反應過程發生在其接觸面上。

由於燃燒反應起因於反應物分子相互碰撞，反應物分子碰撞次數與溫度和均 勻性相關，當有效碰撞頻率越高時代表其反應速率愈快，因此反應過程中速率快慢 可說是取決於其混合狀態及化學反應特性。在固定溫度及分子種類的情況下，只能 提高分子間分佈的均勻性來提高反應速率，而預混燃氣即具備這樣的特性，未燃氣 在燃燒反應前已先行混合，因此相較於擴散燃燒具有較高的反應效率。然而由於未 燃氣是已混合之狀態，較快速的燃燒反應可能會衍生出安全上的問題，因此過去在 民生工業中所採取的方式多以擴散燃燒為主，但這樣的方式存在效率低落的問題，

勢必要面臨修正。由於預混火焰具有燃燒效率高的優點，了解其特性有助於改善燃 燒器的效率問題，此外由於未燃氣已預先混合，所呈現的火焰動態特性較多變化，

為學界探討燃燒反應與流場間交互作用現象的重點，特別是對貧油燃燒及低熱質 燃料燃燒中所存在的燃燒不穩定性和時空動態特性，因此本研究選用預混火焰作 為探討之對象。

3-1-2 燃料特性

本研究所使用之燃料為甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氫氣(H2)及一氧化碳(CO)，甲 烷具有結構簡單，化學反應機構也最被廣為研究的特性，且為常用燃料天然氣之主 要成份。丙烷常溫常壓下為氣態，是市售液化石油氣的主要成分，和天然氣不同處 在於丙烷分子量44 較空氣重約 1.5 倍，與其他烷烴類相同，燃燒後生成物為二氧 化碳與水。氫氣與一氧化碳為生質合成氣的主要成分之一，氫氣分子量為2，具有

30 值即為當量比(equivalence ratio)，當量比(



)表示如下：

31

 

9.52 Q Q_F / _A

  (3-4) 丙烷與空氣在化學當量比下的平衡反應式為：

C3H8+ 5(O2+ 3.76N2) 3CO2+ 4H2O+ 18.8N2 (3-5) 由此可知燃料與空氣的理論比值為：

^{(Q QF/ A) =stoi 5 1+3.76}



¹



^23.81 (3-6) 將上式帶回當量比之定義可得：

^23.8



Q QF ^/ A



(3-7) 由於層狀化燃燒器具有三股獨立燃氣出口，本文為簡化層狀化燃燒反應過程 中的參數複雜性，將實驗條件設定為單、雙和三股進流數以及三股進氣口皆為相同 當量比及流速之情況。

3-1-4 實驗設備配置

燃料與空氣由加壓鋼瓶輸出後即分為三條管路以分別輸往控制內、中、外進氣 口之質量流量計，經流量計後輸往層狀燃燒器之燃料與空氣將會分別匯流形成三 管預混未燃氣，注入燃燒器之內、中、外進氣口，其中管路需維持一定長度以確保 燃氣能充分預混。而透過流量計改變當量比及出口速度產生不同的火焰型態，可藉 由數位相機擷取並進行初步分析。另外，在使用數位相機進行圖像擷取時若通入粒 子並拉長曝光時間，即可獲取粒子受流場影響隨流而動之軌跡，經後製處理後之流 場可視化示意圖將有助於初步的燃燒流場特性探討。

3-1-5 燃燒器構造

本文所使用之層狀化燃燒器如圖 3-2 所示，使用之材料為耐高溫不鏽鋼#310，

外觀為圓柱型，由三個同心圓環所組成，下方為三個獨立進氣口，預混燃氣將由此 注入並在燃燒器出口進行燃燒反應(羅允成, 2007; 阮文棋, 2009; 陳靖瑋, 2011)。其

32

特徵為中央處及內、中及外出口處的鈍體結構，其幾何尺寸分別為：內環內半徑R 為8 mm；各環出口寬度 d 為 3 mm；環間距 g 為 5 mm，其出口面積由內至外分別 為1.79 cm²、3.3 cm²和4.8 cm²。

圖 3-2 層狀燃燒器幾何構造示意圖。(a)剖面圖，(b)上視圖，(c)出口結構側視 圖，(d)層狀化燃燒器實體圖

3-1-6 流量控制系統

火焰型態受當量比及出口速度影響，而兩者間變動的關係可由流量計調控之 燃氣流量決定。為確保實驗的準確性，注入之燃氣流量由AALBORG 之電子式氣 體質量流量計及流量控制器所調控，如圖 3-3a 及圖 3-3b 所示。其中，燃料流量 計型號為GFC37，可操作範圍為 0-10 LPM (l/m，liter per minute)，空氣流量計型號

33

為GFC47，操作範圍 0-100 LPM，準確度為滿刻度之1.5%。流量計上之單位為流 率，因此由定義可知設定之出口流速為 U^o，則需調控之燃料流率和空氣流量與出 口截面積(A)間存在：

F A

o

Q Q

U A

 

(3-8) 的關係，其中燃料流率與空氣流率之單位皆為l/m，出口截面積則為平方公分。

圖 3-3 (a)質量流量計，(b)流量控制器 3-1-7 火焰影像擷取系統

火焰型態不只在不同當量比及出口速度時其形狀與亮度差異極大，在同一火 焰影像中，不同區域之結構及光影分佈皆有所不同，因此需要透過具有優異的色彩 解析度及感光度之影像記錄系統才能真實呈現火焰特色。本研究所使用之影像擷 取系統為實驗使用 Nikon D90 數位式相機作為火焰形態擷取系統，其具有 23.6 ×

(a) 

(b) 

34

儲存媒體/記憶體 SD、SDHC/MicroDevice 微形硬碟

體積重量

35

LCD 液晶螢幕 3.0 inch 低溫 TFT，920,000 pixels 顯示屏連光度調控螢光幕

視訊輸出(TV OUT) NTSC/PAN

3-1-8 火焰溫度擷取設備

本研究中使用OMEGA 公司的 R 型熱電偶(焊點直徑 125 μm)，搭配詠欣儀器 公司的YS-947D 數位式溫度計，如圖 3-4 所示，溫度量測範圍在 0–1700℃，解析 度1℃，誤差值為±(0.1% reading＋2℃)。由於輻射修正受氧化鐵附著於熱電偶上影 響很大(Kaskan, 1957)，因此每次實驗後皆處理附著的 Fe(CO)s。

圖 3-4 R 型熱電偶及數位式溫度計 3-2 PIV 流場

3-2-1 PIV 原理簡介

在生活中，我們常能透過感覺得之周遭流場的變動，但是卻無法將其作更詳細 的說明。而粒子影像測速儀的基本觀念就來自於透過將很小的粒子均勻散佈在流 場中，讓粒子能隨流而動，並追蹤粒子的動向來獲取流場資訊。要使此流場可視化 的技術順利運作包含許多要件，如適當的光源和追蹤粒子、光學鏡組、影像擷取系 統及分析軟體，才能獲取全域的暫態流場影像，以進一步解析複雜的流場結構。而 PIV 的幾項特點整理如下：

1. 非侵入式之光學量測技術，避免干擾原始流場。

36

2. 所量得之流場資訊為追蹤粒子(tracing particle)速度，是為間接速度量 測(indirect velocity measurement)。

3. 相較於傳統 LDV 所得之單點平均速度，PIV 量測所得為全域暫態速 子之移動距離為四分之一速度計算視窗(interrogation window)為最佳。

當粒子在流場中的分佈和所選之特性符合上述幾項特點，則量測粒子在一段 成之光路後，經過透鏡將光源散成厚度約1 mm 之光頁(light-sheet)，由上而下垂直 打向燃燒器出口以確保觀測區所得之光亮度為均勻分布。而通過觀測區之追蹤粒

37 克拖曳定律(Stokes drag law)，圓形微粒在低雷諾數的加速流場中，因隨流性差異導 致的速度差為：

38

其中



_s為粒子在流場中的留滯時間：

2

18

p s dp





^



(3-13)

因此可以得到，粒子之直徑越小、粒子密度與流體密度差越小，或流體本身黏 滯性越大，則粒子在流場中的反應時間將越小，也就越能真實呈現流場狀態。粒徑 越小的粒子隨流性越佳，但相對其散射能力就會下降。此外還須考量在燃燒流場的 情況下，粒子必須具備熔點高、不可燃且化學穩定性佳之特點。本實驗使用之氧化 鋁粒子其外觀為白色粉末狀，密度為3.97 g/cm³，熔點為2054 °C，比多數燃料絕 熱火焰溫度高，又兼具化學穩定性佳之特性，因此成為常用的燃燒流場示蹤粒子。

以 甲 烷 為 例 ， 在 一 大 氣 壓 300 K 溫 度 環 境 下 ， 甲 烷 的 氣 體 黏 滯 係 數 為 11.4 10 Pa s ^6  ，而乾燥空氣的黏滯係數則為1.8 10 Pa s ^5  ，因此若以黏滯係數較 小的常溫常壓下的甲烷氣體估計示蹤粒子在其流場中的反應時間，根據式3-13 其

值大小為3.3 10 s ^4 ，足以滿足本研究實驗條件。因此品質良好的示蹤粒子藉由在

此均勻流場切面上之雷射光頁進行PIV 流場速度量測，並以 Insight 3G (TSI)進行 PIV 後處理計算(Raffel et al., 2007)，不準度約為±3.5%。圖 3-6 為單股進流於中間 出口形成火焰之PIV 原始影像圖。

圖 3-6 單股進流於中間出口形成火焰之 PIV 原始影像圖

由於使用環境為燃燒流場，粒子必須具備不可燃性且耐高溫之特性。在多種條 件限制之下，在此採用粒徑3 μm 之氧化鋁(Al2O3)粒子，其外觀為白色粉末狀，其

39

高熔點之特性使其為常用的燃燒流場之追蹤粒子。氧化鋁粒子在空氣中易受潮，因 此平時需置放於防潮箱中，而在實驗前則須經過烘烤以去除水氣，以防受潮粒子堆 積在管路中影響實驗進行。

3-2-2-2 雷射系統

由於一般的光源強度不以供給追蹤粒子足夠的反射光，因此以具高能量集中 性之雷射作為光源，而 PIV 常用之雷射有脈衝雷射(pulsed lasers)及連續波雷射 (continuous wave laser, CW lasers)。本研究所採用之雷射系統為 6W COHERENT INNOVA 300 Series Argon Ion Laser 氬 離 子 雷 射 ， 主 要 由 電 源 供 應 器 (power supply)、雷射頭(laser head)及控制面板(remote control panel)所組成，雷射本體與控 制面板如圖 3-7a 和 b 所示，由於使用過程中會散發大量的熱，因此搭配一台冰水

由於一般的光源強度不以供給追蹤粒子足夠的反射光，因此以具高能量集中 性之雷射作為光源，而 PIV 常用之雷射有脈衝雷射(pulsed lasers)及連續波雷射 (continuous wave laser, CW lasers)。本研究所採用之雷射系統為 6W COHERENT INNOVA 300 Series Argon Ion Laser 氬 離 子 雷 射 ， 主 要 由 電 源 供 應 器 (power supply)、雷射頭(laser head)及控制面板(remote control panel)所組成，雷射本體與控 制面板如圖 3-7a 和 b 所示，由於使用過程中會散發大量的熱，因此搭配一台冰水

在文檔中 層狀化燃燒流場之時空動態特性及穩焰機制研究 (頁 44-63)