第33屆國際燃燒會議

國際燃燒議題的發展與探討

服務機關：台大機械所

姓名職稱：陳智仁 研究生

派赴國家：中國 北京清華大學

出國期間：2010/08/02~08/06

報告日期：2010/08/19

 目的

燃燒的研究應用相當的廣泛與實用，在燃料動力推進裝置上，如汽車內燃機，可以改善其燃燒效率，達到省油環保的目的 ，在航太工程上，可研究火箭推進裝置其利用氫氣燃燒產生的推力，使火箭順利發射入外太空，而在當前最重要的新能源議題上，可研究再生能源，例如生質能，研究其熱值與燃燒效率，以求取代石油這類即將枯竭的石化燃料，最後在防火與消防的應用上，可以研究抑止燃燒反應的材質與滅火方法，以求防火的效果。

相較於國外的燃燒研究，國內已取得一定的成果，但是關於研究題目的多元性，國外的研究有許多可以參考、借鑑的地方，而這次參與的會議，可以說是國際燃燒界最盛大的研討會，來自全球的教授、學生都將在此對他們自身研究的題目，對在場來賓做一個簡單的報告，這次出國的目的就在於，多參與和聆聽國外教授的研究簡報，以作為未來研究方向的參考，並與參與研討會的教授、學生做國際上的文化交流。

過程

大會會議於8/1開始晚上有一個歡迎餐會，8/2才正式開始，一直到8/6告別會結束，如下表::

會議日程

第一天 2010/8/2

由於潘國隆老師眼睛還未康復，故我們縮短行程，於8/2下午到北京，8/6早上回台灣。 我們於8/2當天下午抵達北京清大，在Check in以及註冊之後，時間上已來不及參與研討會，故到隔天才參與研討會，以下將按造日期分別闡述研討會的內容

第二天 2010/8/3

早上的時候我們進入6C-102教室

聽到的第一個題目

HYSTERESIS OF METHANE INVERSE DIFFUSION FLAMES WITH CO-FLOWING AIR AND COMBUSTION PRODUCTS

這是一個同心圓管的燃燒器實驗，燃料為甲烷，同時通入燃料和中心空氣流，燃燒的情況為雙火焰結構，當中心空氣流流速越快時，部分預混的火焰會在中先成形，火焰的高度是與燃料流入速度程線性正比關係，這個題目與我們實驗室現在在做的帽頂燃燒實驗有相似之處，頗有參考的價值

我們換到6C-300教室

第二個題目

MEASUREMENT OF TURBULENT BURNING VELOCITIES IN IMPLOSIONS AT HIGH PRESSURES.

在這裡使用一個新的技術來量測紊流燃燒速度，此實驗量測在雙火焰增值的最後階段，使用壓力記錄器和schlieren光學方法來界定燃燒速率和火焰區域介面，這個新的技術有一個優點，這個優點就是可以使得紊流燃燒速率所在之壓力與爆炸腔中安全的工作壓力接近，接著，研究混合著的乙醇-空氣、甲烷-空氣在壓力為0.7到3.0MPa所對應的溫度377到468K的情況。

第三個題目

ON INTERACTION OF CENTRALLY-IGNITED, OUTWARDLY-PROPAGATING PREMIXED FLAMES WITH FULLYDEVELOPED

ISOTROPIC TURBULENCE AT ELEVATED PRESSURE

此建立一個新的設備，對於研究在大氣壓或是更高壓的紊流預混火焰所採用，這個設備包含了高壓風扇攪拌的十字形燃燒器和在一個相對高壓外燃燒腔的內燃燒腔，兩個燃燒腔皆可透光，因此可以觀測到燃燒時裡面火焰和紊流的交互作用，內燃燒器使用shy在2000年所採用的紊流產生機制，這個機制可以產生幾乎等商的紊流，不過，為了讓內燃燒腔和外燃燒腔的壓力差能夠減少，此實驗在這個垂直的容器周圍已軸對稱的方式，加了四個壓力釋放閥，實驗結果顯示，提升的壓力和紊流強度會增強火焰的燃燒速率，一般來說層流的燃燒速率會隨著壓力的-0.52次方遞減，而在平均紊流擾動程度u=1.4的時候紊流的燃燒速率會隨著壓力的0.14次方遞增，這與Kobayashi所提出的冪次結果吻合。

第三天 2010/8/4

我們選擇6C-102教室的原因在於，我們也有在做升離火燄的實驗，此題目可以讓我們做參考:

第一個題目

DYNAMIC LIFTED FLAME IN CENTERBODY BURNER.

在一些中心體燃燒器的實驗中，碳微粒生成的行為可以被其他因素劇烈的改變而不用改變流體的性質，在氧氣環流減少到一個程度時可以發現，火焰會升離並形成一個區塊的碳微粒，在這裡會有一個有趣的操作區間，更有趣的是，在微小氣孔的流場狀況下，在升離火焰的基層，會有一個不尋常的超環狀火焰發生。在此實驗中，使用一個環狀的火焰管，模擬的model使用暫態、軸對稱、有詳細化學反應，燃燒和PAH的行程使用Wang-Frenklach機制而碳微粒的形成使用Lindstedt.的2個反應式的模型，計算結果預測了升離火焰會固定在環形區域的外部邊緣，模擬得到的升離火燄高度與實驗吻合，然而，並不是所有的計算結果都會隨著流場的狀況或是靠近升離火燄底部的火燄結構擾動改變，在對CH自由基分佈(藉由判斷CH基位置可以知道火燄形狀)作時間平均之後，發現火燄基底的情況與實驗結果非常相似。

第二個題目

LIFTED FLAME STRUCTURE OF COANNULAR JET FLAMES IN A TRIPLE PORT BURNER.

這個實驗非常特別，他是使用3個同心圓管在中心的管中和最外面的管中通入空氣，而在兩個通滿空氣間的環狀部分，通滿燃料，為了研究三管燃燒器的燃燒特徵，必須觀測升離火燄的高度，以及碳微粒和NOx化合物，而數值模擬也被用來討論詳細的燃燒結構，此實驗中，會有兩個火燄面成型在空氣與燃料間，所以會有四個狀況可以討論，藉由增加空氣的流量，會有一些獨特的現象發生，當內部和外部的火燄升離時，三火燄結構可以被觀察到。

第三個題目

EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL STUDY OF THE TRANSITION TO THE FLAME BALL REGIME AT NORMAL

這個實驗為，在一個內徑12.2mm的管子，通入燃料和空氣此燃料混合著40%的氫氣和60%的甲烷，使用PLIF方法來觀測，此方法是用平面雷射來觀察燃燒所產生的OH基，也有跑模擬來跟實驗結果比對，模擬的當量比介於0.3到0.5，模擬得到的OH強度分佈與實驗實驗量測到的當量比接近，實驗的平衡比介於0.31到0.44，在這個範圍之內，當當量比減少到可燃極限時，實驗和模擬的火燄形狀都會從蛋形變到直徑大約3mm的火燄球，模擬顯示了環流存在在靠近極限的火燄裡面，這個可然極限燃燒的火燄球完全在環流裡面，在可燃極限的時候，火燄面幾乎是均勻的，當遠離貧油火燄極限時，火燄面會變得不均勻，最後底部的火燄面會消失

第四天 2010/8/5

第一個題目

LES FLAMELET MODELING OF A THREE-STREAM MILD COMBUSTOR: ANALYSIS OF FLAME SENSITIVITY TO SCALAR INFLOW CONDITIONS.

研究同心圓管噴流中，反應稀釋流場的大尺度漩渦模擬(Large-eddy simulation，LES)。操作在適度與極強的低氧稀釋燃燒區域，來確認此燃燒器的模型結構。延伸火焰行進變數公式藉由加入額外的保守量來計算在氧氣噴流的混合組成。此額外的保守量將會與氧氣噴流管縫及火焰面上混合組分有關。由於噴流擴散火焰延伸的空間結構、適當的雷諾數、操作的貧油條件及不同的火焰面與混合組分空間有微弱的聯結，故可以利用一維火焰面方程式來求解熱化學狀態的空間分布。為了計算紊流與化學的交互作用上未求解的值，將利用預測機率密度函數來做為LES燃燒模型。Dally et al.(2002)利用FPV燃燒模型應用於MILD燃燒器的LES，比較結果單一混合分率FPV公式顯示雙噴流混合組分不適合呈現單一組分分率，導致無法有意義預測火焰溫度與一氧化碳的質量分率。第二部分則為流場與火焰結構中有意義量之條件下，燃燒條件為運動控制下與低Damkohler數。最後，LES計算的方法將被用在浮力條件下增強之流場，包含均勻與周期性紊流尺度振盪的實驗資料。對於這個分析，顯示對於考慮這個紊流變動值的組成將改變對溫度與CO與OH質量分率的預測。更進一步，這個模擬結果將內流場值的尺寸效應不僅限制於噴嘴出口也應用於全部的火焰。這個預測也發現運動控制與低溫燃燒系統的關聯，包含自動引燃、升離火焰和預混火焰系統皆適用。

第二個題目

LARGE EDDY SIMULATION OF OXYGEN/METHANE FLAMES UNDER TRANSCRITICAL CONDITIONS.

本文研究對於過度區間燃燒的大漩渦模擬。其分析的動機為火箭推進在低溫與高壓環境的臨界壓力低氧注入的應用，找其臨界值。所面臨的問題為在此範圍下，從高溫到低溫，過渡區間流體將發生如何描述真實氣體的效應與非常大密度的改變。這個模擬也需要適當空間燃燒模型，來決定在此條件下其體積反應率與非預混模型所發生的反應。此模型被提出且有效的用於H3大氣火焰的結構。此模型經常被應用於求解AVBP LES流體的流動。計算結果成功的表現過度區間超臨界甲烷與氧氣的注入並與最近的實驗數據有良好的一致性，提供額外的火焰結構與流場的訊息。

第三個題目

A TURBULENT PREMIXED FLAME ON FRACTAL-GRID GENERATED TURBULENCE

利用一個不規則網格產生新的紊流在一個預混紊流燃燒實驗。對照於幕次定律對於標準的紊流網格，不規則網格增加，直到下游的紊流強度達到峰值在相同的距離下。有效的網格尺寸和體積是相同，對於標準平方網格。在相同的流率和當量比下，不規則產生的紊流增加燃燒效率和造成火焰面積增加，利用一個火焰不規則模型，企圖去製造亮光的不同在兩個不同的紊流場。

第四個題目

EFFECT OF QUENCHING OF THE OXIDATION LAYER IN HIGHLY TURBULENT COUNTERFLOW PREMIXED FLAMES.

三個貧油當量比預混火焰學習，使用相反的噴嘴結構，反應物和完全燃燒的產物燃燒在1850K，利用實驗學習在紊流的條件下和計算在層流條件下。火焰混合被選擇在相同的層流火焰速度。實驗學習紊流火焰紀錄同步的CO和OH PLIF。量的平衡對於前反應率CO + OH →CO2 + H。紊流火焰特性在於流線會是完全相似，且燃燒機制也會是相同，在紊流雷諾數1050和Karlovitz數約為5時。氧化層在當量比火焰是消失的，貧油火焰展現出真實的跡象對於CO轉變，指示經由CO+OH反應率影像。幫助實驗的解釋，我們數值研究火焰熄滅對於層流預混火焰跟實驗有相似。利用計算證實實驗結果，指示這個當量比火焰是較不完整和熄滅在最低的應變率。熄滅發生在火焰是非常接近氣體停滯點平面和氧化層延伸後方，朝向燃燒產物邊。在氧化層可能熄滅再高的應變預混火焰。  

國際燃燒會議會場

各個教授在外彼此見面

我的指導教授---潘國隆教授在會議室向大家present的情況

最後一天晚上由國際U.C. Irvine的教授Derek Dunn-Rankin 帶領我以及成大航太的學生們聚餐分享這禮拜研討會的心得，這位來自加州的教授非常的健談，話題除了研討會的內容，也分享台灣和美國習俗的不同，達成了我們做國際文化交流的目的，

心得及建議

剛到的時候有點匆忙，導致第一天無法到會議現場聆聽，建議提早一天到