第九卷 第九期 - 2009年七月二十四日 PDF
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平行預混貧油甲烷火焰組交互作用之深入研究
林河川1、鄭藏勝2、陳必虔1、何俊慶1趙怡欽1,*

1國立成功大學航空太空工程學系
2中華大學機械工程學系
ycchao@mail.ncku.edu.tw

Proceedings of the Combustion Institute, 32:995–1002, 2009
SCI Category: Engineering, Mechanical, Ranking 3 /107 = 2.8%

 
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本文利用數值與實驗方法仔細探討自兩平行相鄰長方槽燃燒器噴出之貧油預混甲烷火焰隨其間槽距變動之相互作用,其流場及燃燒化學反應場由詳細數值模擬搭配骨幹與GRI-v3.0機構來預測並以粒子影像測速法(particle image velocimetry, PIV)以及火焰量測實驗加以驗證。隨著兩火焰靠近,兩火焰開始互相作用而兩火焰向外傾斜,同時其在貧油濃度與速度的穩定操作特性都明顯增加,隨間距變小其相互作用在後火焰區流場可分三階段:載入、迴流與逆流。在逆流場階段在其兩火焰間的對稱線上可以發現流場中存在停滯點或稱為側向衝擊流場,此燃燒流場類似於但不完全相等於常見的對沖流火焰流場。此逆流形式提供一高溫而慢速的後火焰區流場形式,同時將主火焰的殘餘燃燒中間自由基OH帶回用以加熱並反應掉自離駐區(stand-off)火焰底端與燃燒器噴緣洩漏出去的燃料,以促進兩靠近火焰內側的火焰的燃燒穩定。
                                                 
簡介

貧油燃燒符合高效率、低污染的能源利用方式是被視為新世紀日益嚴苛的環保法規以及日益嚴重的全球暖化問題的短期主要解決方法之一,但貧油燃燒常伴隨而來的燃燒不穩定的問題使得它無法普遍廣泛被接受。過去文獻指出有許多方法可以增進貧油燃燒的穩定性例如渦流與旋流火焰以及相鄰陣列燃燒器擴散火焰[1-3]或加氫火焰[4-5]等,旋流火焰常用於氣渦輪機燃燒室,陣列擴散火焰看似相當具有前景但是在相鄰火燄中的無法有效供應氧氣的問題使得其穩駐火焰避免吹熄的效果大大不如預期。加氫火焰近來受到相當的重視因為他同時可以降低NOx污染,但是其價格居高不下而且將來可能更高;本文中我們提出以相鄰預混或部份預混火焰陣列以克服其貧油火焰不穩定的問題之有效方法。本文擬以火焰熱流場之實驗量測以及燃燒火焰速度、熱釋放率以及化學反應的全反應數值模擬,對相鄰相互作用之兩貧油預混甲烷火焰之火焰結構與火焰穩駐機制進行完整的研究。

分析方法

本實驗採用預混甲烷空氣矩形噴流燃燒器,截面為5mm x 50mm,實驗時其無因次間距為L/d=2~6,平均出口流速為0.7到3m/s,當量比為0.55到1.38。火焰溫度分布量測使用R型熱電偶(R-type Thermocouple),整體火焰外觀觀察是用CCD數位相機。相互作用之火焰流場是以粒子影像測速儀(PIV)量測做為檢驗,粒子影像測速儀攝影機上配備有機械式快門避免其粒子影像受火焰輝光所污染而影響量測正確性。數值模擬是以計算流力程式搭配CHEMKIN 資料庫以及甲烷火焰骨幹(skeletal)反應機構與全化學反應機構GRI-Mech 3.0來解甲烷雙噴流層流預混火焰之流場、熱傳、混合以及燃燒化學反應的統御方程式包括連續、動量、能量、化學組成等。

結果與討論

如圖一所示,以火焰尖端偏離噴流中心軸的距離與火焰長度比值定義的火焰偏離角隨著噴流間距自L/d = 4降到2而變大,但是隨著噴流速度由1.0增加到1.5m/s,偏離角卻幾乎不變。圖一左上角所示計算的火焰外形與火焰照片相比較發現相當吻合。隨著間距縮小噴流間距中流場的的改變相信與促進其火焰穩駐特別是貧油火焰穩駐有相當大的關係,圖一中可以發現其間距中的流場由L/d = 4載入流變成L/d = 3的迴流以至於L/d = 2的衝擊逆向流,此衝擊逆向流表現停滯流場的特性。L/d = 4火焰的後火焰區流場中有一較不明顯的區域壓力峰值,此區域壓力峰值相信與受限空間中輕微流場相互衝擊有關。在L/d = 3的情形中,在對稱軸線上可以發現一迴流區而且壓力峰值也變得更明顯,此壓力分布造成火焰傾斜更明顯。當間距縮小成L/d = 2,後火焰區流線強烈互相衝擊產生逆向流,同時產生一與對沖流火焰類似的火焰,此火燄中自外界載入空氣完全被阻擋住。
圖一 噴流間距對火焰與流場的影響

衝擊流場也產生一流體力學效應有利於火焰穩駐,圖二顯示此側向衝擊流線並於其上疊上PIV實驗所得速度流向向量以供比較,搭以計算所得之OH離子莫爾濃度分布(左邊兩張圖)以及CO莫爾濃度分布為背景。圖中也顯示計算所得的流線分布以及噴嘴內緣之前3條流線IB-1 IB-2 and IB-3以及外緣的前3條流線OB-1, OB-2 and OB-3。此內緣與外緣流場型態的差異明顯影響火焰的特性以及噴嘴出口處化學反應特性,此可由圖2中OH與CO濃度分布發現,此燃燒器出口邊緣的熱與火焰燃燒特性直接影響火焰的穩駐,沿IB-1流線其中某點其OH濃度可以高到足以引起洩漏甲烷燃料的反應OH + CH4 CH3+H2O因為儲存在近壁面的HO2 and H2O2 經由H + HO2 2OH 與 H + H2O2 H2O+ OH可以提供額外的OH,如圖2所示,內緣的殘餘OH隨著逆向流場可以深入兩燃燒器中間的間距區,顯示在兩火焰燃燒器間距區中存在一高溫而富含活躍化學物種的區域提供足以增進火焰穩駐的環境。同時可以觀察到,在此間距區域熱釋放的比重由OH + CH4 CH3+H2O反應轉移到HO2 + CH3 OH + CH3O。
圖二 以流線分布搭配OH與CO 莫爾濃度為背景表現側向衝擊的效應

圖三中我們以示意圖比較交互作用之火焰之內緣與外緣火焰穩駐特性以綜合整理討論此火焰的穩駐機構,在此逆流階段沿兩火焰之對稱軸線可以發現停滯點流場,此後火焰區流場的改變相信是造成促進火焰穩駐尤其是貧油火焰穩駐的主要機制。因為逆流現象使得外界冷空氣載入被阻擋,所以此側向衝擊流場在近噴嘴處提供一低的熱量與活躍化學自由基物種消散區域足以促進火焰穩駐,而此近噴嘴處的高溫區同時促進近壁面的HO2與H2O2 的儲存與反應產生額外的OH供應以促進火焰燃燒反應,而此 OH 自由基隨著逆向流到達衝擊區而與自離駐區洩漏的燃料反應而在間距區中產生額外的放熱,經由此額外OH供應與區域熱釋放將有助於火焰尤其是貧油火焰穩駐於噴口, 相反的如圖三在外緣區域火焰由於外界冷空氣的載入使得在噴口的熱量以及活躍化學自由基消散而造成火焰局部冷熄不利火焰穩駐。
圖三 內緣與外緣火焰流場、熱與化學行為差異比較示意圖

結論

本文中經由數值模擬與實驗我們發現平行預混甲烷火焰之交互作用是後火焰區流場側向衝擊的現象,同時發現此一平行停滯點火焰擁有一些與對沖流火焰類似的代表性特點包括火焰拉伸以及促進火焰穩駐等,此相互作用之雙火焰是經由下列主要因素而促進火焰穩駐包括:側向衝擊流、低熱量與化學物種消散以及主火焰與近噴口壁面提供額外化學自由基促進近噴口化學反應等,我們在本文中詳述此特殊的火焰穩駐機構。

參考文獻

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