三環丙烷火焰暫態反應強度與流場之交互作用研究

Abstract

本研究以高解析度之高速粒子影像測速儀(PIV)和化學螢光法(chemiluminescence)探討三股預混丙烷火焰與多尾流渦對間交互作用下特定自由基(C2*和CH*)之分佈特性，以具有特殊幾何結構的三環燃燒器作為實驗載具，透過量測不同當量比和出口流速下暫態燃燒流場速度和化學螢光強度的分佈驗證火焰特徵和解析火焰結構，進而歸納火焰局部反應強度與紊流強度之作用機制。實驗範圍內之火焰型態受當量比變化主導而具有火焰長度、化學螢光分佈和火焰面前緣不穩定性等三種特徵。在出口流速Uo = 1.5 m/s和當量比範圍0.6-1.6時，受到火焰傳播速度改變、火焰間預熱效應和火焰面前緣不穩定性影響，而形成巫師帽火焰、穩定中環火焰、焰尖振盪火焰和焰尖開口火焰等四種類型。 由於化學螢光峰值分佈隨當量比和出口流速變化，因此全域化學螢光強度可驗證火焰特徵受不同化學反應機制影響而改變反應位置與螢光分佈特性；另一方面，化學螢光強度可作為火焰反應區位置及火焰強度的指標，因此局部化學螢光強度分佈可反映流場結構與火焰強度間的交互作用關係。另外以高速PIV量測所得之連續瞬時速度場歸納出熱浮力效應主導流場結構的紊流特性，並發現紊流強度和全域火焰強度在貧油燃燒(Le > 1)時峰值分佈趨勢呈現正相關，而在富油燃燒(Le < 1)時峰值分佈趨勢則呈現負相關，代表在貧油和富油燃燒中不同狀況下，質量-熱擴散不穩定性具有主導影響化學螢光強度和速度場分佈的特性。本研究進一步以每秒1000張空間解析度達0.047 mm/pixel的同步PIV和CH*化學螢光法量測技術解析當量比1.6具有焰尖開口特徵的火焰，發現局部燃燒流場也具有相同趨勢。在受火焰面前緣不穩定性作用下，火焰強度隨渦度增加而遞減，而受弱渦度影響之火焰強度則較強。因此，由全域和局部燃燒流場中，兩者關係歸納出火焰前緣不穩定性(Le < 1)受到紊流作用下之火焰面特性及交互作用之機制。