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研究生: 王長禹
Wang, Chang-Yu
論文名稱: 圓形截面微管內之預混焰傳遞模式解析
Analysis of propagation modes of premixed flames in micro tubes
指導教授: 吳明勳
Wu, Ming-Hsun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 88
中文關鍵詞: 震爆焰爆震焰火焰傳遞動態緩燃焰轉震爆焰
外文關鍵詞: propagation modes, reaction propagations, quasi-detonation, deflagration to detonation transition
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  • 本研究之目的為針對火焰於微管內傳遞動態進行實驗解析。實驗方法為於透明微管中央點火,利用高速顯影紀錄管內火焰傳遞動態並據以歸納分類。實驗所探討之影響參數包括管徑、當量比以及燃料種類。
    研究結果首先發現乙烯/氧氣火焰於化學當量比條件下可於3 mm至0.4 mm I.D.之微管內觀察到DDT/C-J模式。隨當量比改變,管徑1 mm、2 mm與3 mm I.D.微管中有由緩燃焰轉震爆焰而後以Chapman-Jouguet(C-J)速度傳遞之DDT/C-J模式、穩定緩燃焰傳遞、震盪火焰與點火後傳遞一段距離即熄焰四種。在管徑0.5 mm I.D.中,於當量比偏貧油區域,則有跳躍式火焰傳遞模態。管徑0.4 mm I.D.則觀察到低速爆震焰、近似爆震焰以及DDT/C-J傳遞三種模態。由管徑與當量比之組合,DDT/C-J模式存在的當量比區間以及緩燃焰傳遞的可燃區間隨著管徑縮小而減少。在1 mm、2 mm與3 mm I.D. 微管中傳遞速度量值與C-J速度相比無顯著損耗。在管徑0.5 mm以及0.4 mm I.D.的微管中,則出現約5%及10%的速度損耗。
    針對甲烷/氧氣火焰傳遞,我們也觀察到化學當量比條件下於2 mm與3 mm I.D.微管內為DDT/C-J模式。於1.5 mm I.D.中則發現火焰加速達DDT階段後持續減速至出口之爆震焰減速以及近似爆震焰與延遲爆震焰傳遞三種模式。在1 mm管徑之平滑直管中則是以緩燃焰方式傳遞。進一步針對管徑與當量比變化可得傳遞模式分佈圖。穩定爆震焰傳遞存在的當量比區間範圍,同樣隨著管徑縮小而減少。緩燃焰傳遞極限區間則是隨管徑縮小而增寬。

    The objective of the present research was to experimentally analyze flame propagation modes in micro scale tubes. The reaction propagations of premixed ethylene/oxygen and methane/oxygen mixtures in capillary tubes were investigated. Evolutions of flame structures and velocity deficits were also experimentally characterized.
    Results show that the propagation mode of ethylene/oxygen was influenced by equivalence ratio and tube diameter. For ethylene/oxygen mixtures in 1 mm, 2 mm and 3 mm I.D. tubes, deflagration, oscillating flame, DDT/C-J and reaction quench propagation modes were identified for equivalence ratios from lean to rich. In 0.5 mm I.D. tubes, a galloping detonation mode was observed at fuel-lean equivalence ratios in addition to DDT/C-J mode. In 0.4 mm I.D. tubes, low speed detonation, quasi-detonation and DDT/C-J modes were observed for equivalence ratios from lean to rich. The equivalence ratio range of DDT/C-J mode and deflagration limits shrinks with decreasing tube diameter. Velocity deficit was not observed for 1 mm, 2 mm and 3 mm I.D. tubes, but 5% and 10% deficit was found in the 0.5 mm and 0.4 mm I.D.
    There were deflagration, oscillating flame and DDT/C-J modes for methane/oxygen flames in 2 mm and 3 mm I.D. tubes; however, the DDT/C-J mode is replaced by DDT/deceleration, quasi-detonation and long-delay detonation mode in 1.5 mm I.D. tube. In 1 mm I.D. tubes, only steady deflagration-quench mode was observed. The equivalence ratio range of DDT/C-J mode shrinks with decreasing tube diameter. The equivalence ratio range of deflagration limits expands with decreasing tube diameter.

    摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 -文獻回顧 3 1-3 研究目的 7 1-4 本文架構 8 第二章 研究方法 10 2-1 微管設計及點火系統 10 微管設計 10 點火系統 12 2-2 氣體供應系統 13 質流量控制系統 13 皂泡式流量校正 14 以氣相層析法進行當量比測定 15 2-3 取像系統與影像處理 20 攝影機 20 觸發方式 21 影像分析 25 2-4 實驗流程 26 2-5 理論火焰傳遞速度計算 27 2-6 不確定性分析 30 第三章 乙烯/氧氣焰之傳遞模態 33 3-1 化學當量比下之火焰傳遞 33 傳遞速度解析 33 火焰結構顯影 37 3-2 當量比對傳遞模態之影響 40 3-3 微管內DDT/C-J模式傳遞特性 48 DDT/C-J傳遞之管徑極限 48 管徑對爆震焰傳遞特性之影響 49 3-4 緩燃焰及非典型爆震焰傳遞特性 53 3-5 小結 56 第四章 甲烷/氧氣焰之傳遞模態 58 4-1 化學當量比下之火焰傳遞 58 4-2 當量比對傳遞模態之影響 64 4-3 微管內DDT/C-J模式傳遞特性 70 4-4 緩燃焰及非典型爆震焰傳遞模式之特性 71 4-5 小結 75 第五章 結論與未來展望 76 5-1 結論 76 5-2 未來展望 77 參考文獻 79 附錄A 氣體供應操作程序 84 附錄B 層流火焰速度計算之Cantera程式碼 87 圖1-1 Wu等人[1]於1 mm I.D.微管中拍攝化學當量乙烯/氧氣爆震焰之高速顯影。 2 圖1-2 Wu等人[1]在0.5 mm I.D.的管徑中觀察到三種不同傳遞模式。(a)穩態爆震焰(stable detonation) 、(b)爆震波熄滅(quench)以及(c)低速次C-J爆震波(low speed sub C-J detonation)。 2 圖2-1 連接器微直管設計。 11 圖2-2 鑽洞微直管。 12 圖2-3 點火線圈電路示意圖。 12 圖2-4 點火系統放電電壓(藍線)與電流(紅線)於示波器之量測。 13 圖2-5 皂泡式流量校正器(Bubble meter)。 14 圖2-6 以皂泡式流量校正器對2000 sccm 型質流量計進行四種氣體的校正所得之誤差。 15 圖2-7 層析法原理。 16 圖2-8 氣相層析儀實驗操作原理及流程。 17 圖2-9 甲烷39.77%、乙烯49.26%及氮氣10.97%之標準瓶檢量圖。 17 圖2-10 (a) 純甲烷(99%)對零點線性關係式、(b) 標準瓶甲烷(39.77%)對零點之線性關係式及(c) 標準甲烷(39.77%)對純甲烷(99%)之線關係式換算不同當量比甲烷/氧氣,實際濃度對檢量面積關係圖。 18 圖2-11 標準瓶乙烯(49.26%)對零點之線性關係式換算不同當量比之乙烯/氧氣,實際濃度對面積之關係圖。 19 圖2-12 甲烷/氧氣實際當量比與理論值的誤差比較。 19 圖2-13 乙烯/氧氣實際當量比與理論值的誤差比較。 20 圖2-14 由光偵測器感應火焰訊號(Channel 1)以及訊號延遲產生器觸發訊號(Channel 3)。 22 圖2-15 由示波器量測電壓壓降訊號(Channel 1)以及訊號延遲產生器觸發訊號(Channel 2)。 23 圖2-16 點火感應之高頻雜訊值。 24 圖2-17 二階Sallen-Key低通濾波器電路圖。 24 圖2-18 一典型之火焰化學螢光亮度分佈隨時間變化圖。 25 圖2-19 火焰前端位置對時間之關係圖。 26 圖2-20 實驗設備配置圖。 27 圖2-21 方型符號代表乙烯、氧氣分別使500、2000 sccm型做為氣體供應之流量計。圓型符號代表乙烯、氧氣分別使2000、2000 sccm型做為氣體供應之流量計。乙烯設定值固定為300 sccm,計算乙烯/氧氣之當量比不確定性對當量比關係圖。 32 圖2-22 方型符號代表甲烷、氧氣分別使500、2000 sccm型做為氣體供應之流量計。圓型符號代表甲烷、氧氣分別使2000、2000 sccm型做為氣體供應之流量計。甲烷設定值固定為300 sccm,計算甲烷/氧氣之當量比不確定性對當量比關係圖。 32 圖3-1 化學當量之乙烯/氧氣焰於3 mm I.D.微管中之DDT/C-J模式。 33 圖3-2 化學當量之乙烯/氧氣火焰於2 mm I.D.微管中,DDT/C-J模式之高速顯影。 34 圖3-3 化學當量之乙烯/氧氣火焰於1 mm I.D.微管中,DDT/C-J模式之連續高速顯影。 34 圖3-4 化學當量之乙烯/氧氣火焰於0.5 mm I.D.微管中,DDT/C-J模式之連續高速顯影。 35 圖3-5 化學當量之乙烯/氧氣火焰於0.4 mm I.D.微管中,DDT/C-J模式之連續高速顯影。 35 圖3-6 不同管徑條件下,化學當量的乙烯/氧氣焰於微管內傳遞過程的速度對位置變化趨勢。 36 圖3-7 不同管徑條件下,化學當量的乙烯/氧氣焰於微管內傳遞過程的速度對時間變化趨勢。 36 圖3-8 化學當量之乙烯/氧氣穩態爆震焰生成距離隨管徑改變之關係圖。管徑與生成距離兩者間存在一線性冪函數關係。 37 圖3-9 長時間曝光下,化學當量之乙烯/氧氣焰於1 mm I.D.微管內完整DDT/C-J傳遞過程的單張彩色照片。 38 圖3-10 於曝光時間5 μs條件下,拍攝化學當量之乙烯/氧氣焰於1 mm I.D.微管中不同階段DDT/C-J模式的焰色改變。(a) 右側距點火端5 cm。 (b) 右側距點火端10 cm。(c) 右側距點火端15 cm。(d) 右側距點火端17 cm。(e) 右側距點火端65 cm。 38 圖3-11 使用影像增強模組於曝光時間50 ns,於2 mm I.D.微管中化學當量乙烯/氧氣焰傳遞,不同階段火焰結構的表現。(a)右側距點火端4 cm。(b) 右側距點火端14 cm。(c)右側距點火端38 cm。 39 圖3-12 乙烯/氧氣焰於3 mm I.D.中,貧油之當量比為0.16時觀察到穩定緩燃焰傳遞模式。 41 圖3-13 乙烯/氧氣焰於3 mm I.D.中,貧油之當量比為0.2時觀察到震盪火焰傳遞模式。 41 圖3-14 乙烯/氧氣焰於3 mm I.D. 中,富油之條件為3.3時觀察到之熄焰模式。 42 圖3-15 乙烯/氧氣焰於2 mm I.D. 中,貧油之當量比為0.2時觀察到穩定緩燃焰傳遞模式。 42 圖3-16 乙烯/氧氣焰於2 mm I.D. 中,貧油之當量比為0.3時觀察到震盪火焰傳遞模式。 43 圖3-17乙烯/氧氣焰於2 mm I.D.中,富油之當量比為2.4時觀察到之熄焰模式。 43 圖3-18乙烯/氧氣焰於1 mm I.D.中,貧油之當量比為0.3時觀察到穩定緩燃焰傳遞模式。 44 圖3-19乙烯/氧氣焰於1 mm I.D.中,貧油之當量比為0.32時觀察到震盪火焰傳遞模式。 44 圖3-20乙烯/氧氣焰於1 mm I.D.中,富油之當量比為2時觀察到之熄焰模式。 45 圖3-21 乙烯/氧氣焰於0.5 mm I.D.中,貧油之當量比為0.4時觀察到跳躍式火焰傳遞模式。 45 圖3-22乙烯/氧氣焰於0.5 mm I.D.中,富油之當量比為2.4時觀察到之熄焰模式。 46 圖3-23乙烯/氧氣焰於0.4 mm I.D.中,貧油之當量比為0.4時觀察到低速 爆震焰傳遞模式。 46 圖3-24乙烯/氧氣焰於0.4 mm I.D.中,貧油之當量比為0.6時觀察到近似爆震焰傳遞模式。 47 圖3-25 乙烯/氧氣焰隨著當量比改變與管徑縮小,微管內有數種不同的反應波傳遞模態分佈。 47 圖3-26 乙烯/氧氣焰於0.4 mm、 0.5 mm、1 mm、2 mm以及3 mm I.D微管內,穩態爆震焰生成距離隨管徑與當量比變化。 50 圖3-27為不同管徑-當量比條件下,乙烯/氧氣穩態爆震焰傳遞速度與C-J速度之比較圖。 52 圖3-28 乙烯/氧氣焰於不同管徑-當量比之條件下,於可產生DDT/C-J傳遞的當量區間內,進行速度損耗分析之結果。 52 圖3-29乙烯/氧氣焰於不同管徑中,緩燃焰傳遞速度與層流火焰速度隨當量比變化之比較圖。 53 圖3-30 乙烯/氧氣焰於0.4 mm I.D.中,貧油區之當量比為0.5時,近似爆震焰模式之速度-位置關係圖。 55 圖3-31 乙烯/氧氣焰於0.4 mm I.D.中,貧油之當量比為0.4時低速爆震焰模式之速度-位置關係圖。 55 圖4-1 化學當量甲烷/氧氣火焰於3 mm I.D. 微管內DDT/C-J傳遞模式之顯影。 58 圖4-2 (a)化學當量之甲烷/氧氣焰於2 mm I.D.微管中高速顯影。(b) 化學當量之甲烷/氧氣火焰於2 mm I.D.微管中,近距離拍攝之高速顯影。 59 圖4-3 化學當量之甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D. 微管內detonation-deceleration模式之(a)顯影圖。(b)速度分佈。 61 圖4-4 化學當量之甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D. 微管內近似爆震焰模式之(a)顯影圖。(b)速度分佈。 62 圖4-5 化學當量之甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D. 微管內long-delay detonation模式之(a) 顯影圖。(b) 速度分佈。 63 圖4-6化學當量之甲烷/氧氣焰於1 mm I.D.,觀察到火焰傳遞為緩燃焰-熄焰傳遞模式。 64 圖4-7 甲烷/氧氣焰於3 mm I.D微管中,貧油之當量比為0.2時觀察到穩定緩燃焰傳遞模式。 65 圖4-8 甲烷/氧氣焰於3 mm I.D微管中,貧油之當量比為0.32時觀察到震盪火焰傳遞模式。 65 圖4-9 甲烷/氧氣火焰於3 mm I.D微管中,富油之當量比為1.6時觀察到震盪火焰傳遞。 66 圖4-10 甲烷/氧氣火焰於2 mm I.D微管中,貧油之當量比為0.24時觀察到穩定緩燃焰傳遞模式。 66 圖4-11 甲烷/氧氣火焰於2 mm I.D微管中,貧油之當量比為0.4時觀察到震盪火焰傳遞模式。 67 圖4-12 甲烷/氧氣焰於2 mm I.D微管中,富油之當量比為1.4時觀察到震盪火焰傳遞模式。 67 圖4-13 甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D微管中,貧油之當量比為0.33時觀察到穩態緩燃焰傳遞模式。 68 圖4-14 甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D微管中,貧油之當量比0.4時觀察到震盪火焰傳遞模式。 69 圖4-16 甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D.中,三組當量比條件下不同傳遞模式的分布百分率。 72 圖4-17 甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D.中,貧油之當量比0.7觀察到延遲爆震模式。 72 圖4-18 甲烷/氧氣焰於1.5 mm I.D.中,貧油之當量比0.8觀察到延遲爆震模式。 73 圖4-19 不同當量比下之爆震焰減速模式速度變化圖。 74 圖4-20 不同當量比下之近似爆震焰模式速度變化圖。 74 圖 4-21 甲烷/氧氣緩燃焰傳遞隨著當量比與管徑變化之速度分佈。 75 圖A-1 MFC流量控制程式操作介面。 84 圖A-2 進入DAQ Assistant確認裝置。 84 圖A-3 操作裝置確認。 84 圖A-4 氣體種類與流量計操作規格選擇畫面。 85 圖A-5 編輯項目新增氣體種類與流量計格。 85 圖A-6 氣體種類名稱及氣體轉換因子之輸入畫面。 86 圖A-7 流量控制程式進行供氣。 86

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    下載圖示 校內:2012-07-16公開
    校外:2012-07-16公開
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