受到火焰形成時形狀，與邊界作用所形成的影響，不同點火方式會 造成火焰引燃之後的傳遞方式改變。本研究中透過三種不同點火格點設 定，探討點火方式對於平滑管槽中火焰傳遞動態之影響。模擬所採用之 模型為1 mm見方、長10 cm之方槽，計算上只對單一象限求解，格點尺度 約36.8 m。槽內氣體設定主要為化學當量之乙烯/氧氣，起始條件為標準 狀態，壓力為100 kPa，溫度為298 K。由於本研究使用乙烯反應模型為三 步簡化模型，在化學當量火焰傳遞過程較無法解析較高的火焰速度變 化，因此以20 %氮氣作為稀釋，以降低火焰傳遞之速度。模型中所探討 的三種點火方式分別為：面點火、環狀點火及單點點火方式。
(a) (b)
(c)
圖 4-39 不同點火方式之點火格點(深色格點)分配圖(a)面點火 (b)環狀點 火 (c)單點點火。
84
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Unit : mm
Velocity (m/s)
500
Temperature (K)
圖 4-40 面點火方式於x = 0.268 mm截面，(a) 5 μs (b) 50 μs (c) 100 μs (d) 150 μs (e) 200 μs (f) 202 μs時之化學當量乙烯/氧氣火焰傳遞過程溫度場
與流場分布。
85
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Unit : mm
Velocity (m/s)
500
Temperature (K)
圖 4-41 面點火方式於x = 0.018 mm截面，(a) 5 μs (b) 50 μs (c) 100 μs (d) 150 μs (e) 200 μs (f) 202 μs時之化學當量乙烯/氧
氣火焰傳遞過程溫度場與流場分布。
86
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Unit : mm
Velocity (m/s)
500
Temperature (K)
圖 4-42 環狀點火方式於x = 0.268 mm截面，(a) 10 μs (b) 30 μs (c) 50 μs (d) 70 μs (e) 90 μs (f) 100 μs時之化學當量乙烯/氧氣火焰傳遞過程
溫度場與流場分布。
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(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Unit : mm
Velocity (m/s)
500
Temperature (K)
圖 4-43 環狀點火方式於x = 0.018 mm截面，(a) 10 μs (b) 30 μs (c) 50 μs (d) 70 μs (e) 90 μs (f) 100 μs時之化學當量乙烯/
氧氣火焰傳遞過程
88
溫度場與流場分布。
89
(a) (d)
(b) (e)
(c)
圖 4-44 環狀點火方式火焰形成後於(a) 10 μs (b) 15 μs (c) 20 μs (d) 30 μs (e) 40 μs時之3000 K等溫面變化。
90
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Unit : mm
Velocity (m/s)
500
Temperature (K)
圖 4-45 單點點火方式於x = 0.268 mm截面，(a) 60 μs (b) 90 μs (c) 120 μs (d) 150 μs (e) 163 μs (f) 164 μs時之化學當量乙烯/氧氣火焰傳遞過程
溫度場與流場分布。
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(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Unit : mm
Velocity (m/s)
500
Temperature (K)
圖 4-46 單點點火方式於x = 0.018 mm截面，(a) 60 μs (b) 90 μs (c) 120 μs (d) 150 μs (e) 163 μs (f) 164 μs時之化學當量乙
烯/氧氣火焰傳遞過程溫度場與流場分布。
92
圖 4-39為三種點火格點的分布情況。面點使用196 (14×14)個點火格 點，分配方式與圓管案例相似。環狀點火則因使用模型採單一象限，點 火格點分布於兩面邊緣上，共有27個點火格點。單點點火則於槽相對中 心的單一格點。由於不同的格點分布及數目，點火格點對於週遭未燃氣 體的整體熱傳率皆不相同，面點火、環狀點火及單點點火之間比例為 196：53：4。模擬中點火方式為將點火格點溫度設為2500 K，由起始時 間持續50 s。依不同點火方式有不同分布及數目。
圖 4-40及圖 4-41為面點火所形成的火焰傳遞過程。由於面點火方式 有最高的點火能量輸入，火焰於較短時間形成往前傳遞。平火焰受到壁 面邊界層效應影響，靠近壁面區域傳遞速度減緩，使火焰面開始變形，
如圖 4-40(b)。圖 4-40(b)及圖 4-41(b)顯示火焰變形主要是集中在靠近壁 面區域，逐漸往前延伸，使得火焰尖端與壁面及對稱面上火焰位置之間 的相對距離增加，形成類似鬱金香火焰(tulip flame)形狀。圖 4-40(c)和圖 4-41(c)中火焰尖端持續的往前拉伸，火焰面的鬱金香火焰結構也漸漸增
93
火焰連接，火焰底端受到垂直壁面邊界層影響，火焰將順著垂直壁面往 軸方向進行發展，火焰尖端也開始往前進行延伸，如圖 4-42(c)及圖 4-44(e)。延伸出的火焰面相對於全尺寸模型為圖 4-42(c)四個獨立的凸狀 火焰，最後將相互融合，形成與圖 4-26時態60 s的火焰面相似結構。火 焰將維持四尖端的火焰結構，形狀如同面點火，形成鬱金香火焰結構，
並隨著火焰傳遞而拉長。圖 4-42(e)火焰尖端逐漸圓滑，在圖 4-41(e)火 焰尖端前，存在著較明顯的預熱區域，最後如圖 4-42(f)，於火焰尖端預 熱區域中形成局部高溫區，圖 4-43(f)高溫區集中於火焰尖端，發生爆炸 現象，對於完整模型而言，爆炸區域則是於四個火焰尖端前的未燃氣體 區域。
圖 4-47 面點火方式之化學當量乙烯/氧氣焰於中央對稱面(x = 0 mm) 上，不同位置之火焰前端位置分布。(計算模型為幾何之第二象限)
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在單點點火部份，由於點火能量供應較小，未燃氣體需長時間藉由 熱傳導過程進行預熱。由圖 4-45(a)與圖 4-46(a)所示，由於點火格點設 於軸心位置的垂直壁面上，因此火焰起始形成形狀會近似於半球形。當 火焰形成之後，因為火焰受到壁面限制及邊界層影響，火焰面首先沿著 對稱軸向進行發展，如圖 4-45(b)，火焰形狀變化與Bychkov等人[13]所得 起始火焰形成過程相似。當半球狀火焰經由軸方向的擴張，火焰形狀逐 漸轉變成指狀火焰。圖 4-45(c)~(e)顯示火焰與壁面接觸之後，則維持相 同形式進行傳遞，並不會轉變成鬱金香火焰結構。火焰尖端位置皆在軸 心對稱面上。最後圖 4-45(f)中火焰面隨著傳遞過程越拉越長，當區域爆 炸產生前，火焰面上整體溫度相對提升，由圖 4-46反應後的高溫燃氣則 充滿火焰尖端區域。
對於三維火焰傳遞的過程，由中間對稱面上不同位置的火焰位置可 得大略的二維火焰形狀變化。圖 4-47為平面點火條件之對稱面上不同位 置之火焰面位置變化，火焰尖端與壁面間因壁面黏滯力之影響下，火焰 於壁面側拉伸距離比中心側較高。在緩燃焰傳遞過程，火焰會持續拉長，
在200 s時態下，壁面側拉伸距離約7 mm，中心側則約為5 mm。火焰拉 伸會持續至局部爆炸產生，隨後因轉為爆震焰傳遞而形成接近平火焰形 狀，三者位置皆會交疊。
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圖 4-48 三種點火方式影響下的化學當量乙烯/氧氣焰尖端傳遞速度隨位 置變化圖。(Face-面點火、Ring-環狀點火及Point-單點點火)
圖 4-49 三種點火方式影響下的化學當量乙烯/氧氣焰尖端傳遞速度隨 時間變化圖。(Face-面點火、Ring-環狀點火及Point-單點火)
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圖 4-50 面點火條件於160 μs中央對稱軸向下的物種質量分率分布。
圖 4-51 面點火條件於220 μs中央對稱軸向下的物種質量分率布。
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