第七卷 第三期 - 2009年一月九日
近熄滅之甲烷擴散微火焰之火焰結構與穩駐機構
陳志鵬1趙怡欽1,*、鄭藏勝2、陳冠邦3、吳志勇1

1國立成功大學工學院航空太空工程學系
2中華大學機械工程學系
3致遠管理學院計算機科學與資訊工程學系
ycchao@mail.ncku.edu.tw

Proceedings of the Combustion Institute, 31:3301-3308, 2007
SCI Category: Engineering, Mechanical, Ranking 3 /107 = 2.8 %


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年來由於微機電製程科技的進展引致人們對於高能量密度與持久操作用以取代電池的微動力系統科技之研究產生高度與廣泛的興趣1。比起最先進的電池,碳氫燃料可以提供近100倍的能量密度,所以微尺寸的碳氫燃料的燃燒系統一直以來都被視為取代電池的微系統動力源的替代品。因此對於微火焰燃燒的物理與化學現象的了解自有其不可或缺的重要性。

由於其微小尺寸火焰產生的熱釋放量也小,但是相對的由火焰傳到燃燒器的熱損失相對的就變得很大,這也暗示此種微火焰常操作於近熄滅的危險狀態。實驗量測也顯示甲烷微噴流擴散火焰直接拍攝與雷射暗影之火焰外形影像有很大的差異2,這個現象顯示在微火焰火焰區之前存在一個密集的特徵熱區。 人們對於許多關係到甲烷微噴流擴散火焰尤其是離駐區(standoff region) 的火焰結構與穩駐機構的現象與重點3,4都還不了解, 因此本文擬以火焰自然螢光(flame chemiluminescence) 量測配合全火焰化學反應機構數值模擬仔細檢驗研究甲烷微噴流擴散火焰離駐區 (standoff region) 的火焰結構與其火焰穩駐機構,並將藉仔細分析以闡述重要化學活性基(radicals)在此近熄滅的甲烷微噴流擴散火焰的重要性以及其維持火焰之前的化學反應與穩駐離駐區火焰的機構。

分析方法
本研究是以一內徑186μm 管壁79μm 的垂直 (AISI 304)穩駐甲烷微噴流擴散火焰以進行量測實驗,甲烷以3.9cc/分相當於近熄滅的2.39米/秒的流速自不鏽鋼管流入大氣以燃燒,對應的雷諾數(Reynolds number)與福洛數(Froude number)分別為Re = 27 and Fr = 3131。實驗中火焰CH* 自然螢光影像是以一冷卻CCD攝影機(Cooke SensiCam)配合近拍鏡頭以及一中心波長為λ = 431 nm 半寬為10±2 nm窄波段干擾濾波鏡拍攝。

數值模擬是以計算流力程式搭配CHEMKIN 資料庫以及甲烷全火焰化學反應機構GRI-Mech 3.0來解甲烷微噴流擴散火焰反應流場的統御方程式包括連續、動量、能量化學組成等。在計算模擬中燃燒器是深入放入計算區域中,換言之,燃燒器內外流場性質都會加以模擬計算,也就是在模擬計算中組成分子逆擴散回燃燒管以及火焰與燃料流以及管壁之間的熱傳等現象都會加以考慮。遠場邊界條件是以開放邊界為條件,燃燒器壁表面是以非滑動非觸媒反應為條件,因為近熄滅火焰無煤煙產生所以輻射熱損失也不考慮。計算最小格點大小為0.05d 擺設於燃燒管出口然後以逐步拉伸格點的方式直到計算區外邊界,計算格點獨立的檢驗中發現 0.0093 mm 格點大小足以解析本計算之火焰特性。

結果與討論
為仔細討論微火焰的穩駐特性與機構,本文將聚焦在直徑為d = 186 μm之微火焰其出口速度為近熄滅的 ue = 2.39 m/s 。圖一為計算所得的CH基的質量分率(mass fraction)分布與量測的CH*基分布影像相互比較,圖中明顯可見計算所得的火燄高度與火焰外形(圖一b)都與實驗(圖一a)相當符合,兩圖都顯示此微火焰明顯自出口處離駐(stands off)。由兩者比較可見本文對此微火焰計算的精確性是可以信賴的,因此我們將進一步用來計算模擬微火焰的精細結構以及與火焰穩駐有關的化學反應的特點。
圖一 量測的CH*基分布影像(a)與計算的CH基的質量分率分布比較

我們將計算模擬所得的二維溫度、CH、O2、CH4、CO2、H2O、H2與 CO的質量分率(mass fraction) 分布等高線與貧油(lean, ξ = 0.029)、當量(stoichiometric, ξ = 0.055)與富油(rich, ξ = 0.089)極限之混合分率(mixture fraction)分布等高線比較如圖二, 圖中可見一小部份的氧氣(空氣)已自火焰與管壁出口之間的間隙被帶入火焰離駐區內而甲烷的擴散現象也在出口處因為管徑小尺寸也比較容易察覺。這個氧氣(空氣)被帶入離駐區的現象將造成離駐區燃料與空氣的部分預混現象。由計算的溫度分布可以發現最高溫度位於噴流軸線靠近當量混合分率與最大CH基質量分率分布位置,而上游區的未燃混合物、管壁以及出口燃料流都已經被加熱超過700 K,這個現象顯示離駐區與火焰穩駐現象與此特徵部分預混熱區以及經由管壁對燃料流與混合物加熱的現象有顯著的關係。
圖二 計算模擬的二維溫度、成分質量分率分布與極限之混合分率分布比較

圖三 計算的HO2 質量分率分布、熱釋放率分布以及H、O、與OH 的質量通量向量分布比較
自上述火焰現象的討論,我們可以建立如此的微火焰在離駐區穩駐現象機構的假說,即為:近熄滅微火焰穩駐現象是由一連串的火焰在出口冷熄(quench)、對部分預混燃料的預熱、維持火焰前區的明顯反應以致於維持一穩定的擴散火焰的相互作用與因果現象所造成的。在一般實際現象管壁不是絕熱也不是定溫,所以火焰都會在管壁上冷熄而造成一個火焰離駐間隙讓氧氣(空氣)能被帶入(捲入)與燃料產生部分預混。當火焰在管壁冷熄經由管壁的熱傳卻可以加速燃料的熱解引發進一步的化學反應在管壁出口產生足夠的活性中間自由基以促進進一步與火焰穩駐有關的火焰化學反應。通常當火焰在壁上冷熄時HO2 這個與終止連鎖反應有關的自由基就變得比較活潑而顯著,仔細檢查中間自由基分布可以發現HO2 自由基確實在此連結微火焰穩駐現象中扮演一個重要角色。圖三中我們將HO2 質量分率分布、熱釋放率分布以及H、O、與OH 的質量通量向量分布標示在一起以方便比較。圖中可見最高HO2 基出現在間隙區然後逐漸遞減而與火焰熱釋放率分布直接連結,而此 HO2 + CH3 <=> OH + CH3O反應在此間隙區釋放相當的熱量相信這些熱釋放直接造成此一高溫熱區(T = 900 ~ 1450 K)而此區直接連結可視火焰區。另一方面,由熱釋放率分布,此分布與圖一中的CH分布類似,顯示在此微火焰基底部分存在一所謂反應核心(高反應率高熱釋放率區)類似Takahashi and Katta5在微重力火焰所報導。而火焰連鎖反應主要自由基(H, O, and OH)也擴散到火焰區的兩側以及往下游區域而引發其他自由基反應,其主要放熱反應如下: O+CH3<=>H+CH2O (R10), O+CH3<=>H+H2+CO (R284), OH+CO<=>H+CO2 (R99), OH+CH4<=>CH3+H2O (R98), OH+H2<=>H+H2O (R84), OH+CH2O<=>HCO+H2O (R101), O2+CH2<=>2H+CO2 (R190), O2+CH=>O+HCO (R125), O2+HCO,=>HO2+CO (R168), and H+CH2O<=>H2+HCO (R58), 而這些主要反應在反應核心區貢獻全部熱釋放率(1.15χ109 W/m3) 達81.5%。因此,此近熄滅離駐微噴流火焰的穩駐機構現象可說是由這連串的反應包括特徵熱區的形成、連鎖自由基反應、放熱反應以致於反應核心形成所共同完成。

結論
我們以全火焰化學反應機構以及完整傳輸模式數值模擬探討一近熄滅甲烷微噴流擴散火焰的火焰結構與其穩駐機制。以目前此內徑d = 186μm 出口速度ue < 3.68 m/s的微火焰,浮力效應不重要而火焰是由擴散火焰現象控制,詳細火焰結構探討發現此近熄滅微火焰符合擴散火焰現象而與簡化噴流火焰模式相違背,雖然在離駐區有部分預混現象但是其混合強度不足以造成雙層火焰結構。 更進一步的深入探討發現此微火焰穩駐機制是由HO2自由基分布的形成及其一連串主要自由基反應形成的特徵熱區而此熱區進一步連結到火焰反應核心區所完成。

參考文獻
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[2]T. Ida, M. Fuchihata, Y. Mizutani, in: Microscopic diffusion structures with micro flames. Proceedings of the Third International Symposium on Scale Modeling, ISSM3-E7, 2000.
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[4]T. S. Cheng, Y.-C. Chao, C.-Y. Wu, Y.-H. Li, Y. Nakamura, K.-Y. Lee, T. Yuan, T. S. Leu, Proc. Combust. Inst. 30 (2005) 2489-2497.
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