臺灣博碩士論文加值系統

擴焰板對噴流擴散火焰效應之研究
學生：蔡孟原 指導教授：蘇 艾博士
私立元智大學機械工程研究所
摘 要
本實驗主要在研究不同動量比及雷諾數條件下，利用不同擴焰板型態及調配擴焰板與噴嘴不同相對位置等參數，提昇單相及相向噴流火焰燃燒效率之研究。本實驗在兩個夾角為72.5度之噴嘴中間安裝一組擴焰板，提供噴嘴之氣體一為甲烷（CH4），另一個為空氣，藉由噴嘴氣體供給量變化去調整不同動量比及雷諾數之條件，利用K-type熱電偶去量測火焰溫度，以便了解不同條件下火焰溫度場之變化，在藉由溫度變化之統計分析去判別改變參數對燃燒效率之影響。本實驗所使用之研究參數為maf為1及0.8，擴焰板型式選定為平面及斜面，燃料雷諾數選定為Refuel=225及Refuel=290。
經由實驗得知，在單相噴流火焰研究中，在固定燃料流量的情況下，發現斜面擴焰板較平面擴焰板對燃燒效益助益更大，斜面擴焰板與平面擴焰板比較，Refuel=225時Teff=7.1%，在Refuel=290時Teff=11.3%。在低燃料雷諾數時，擴焰板有較明顯之助焰效果，雷諾數Refuel=225與Refuel=290之條件下，平面擴散板機構時Teff=10.7%，斜面擴焰板機構時Teff=6.5%。
在相向噴流非同質火焰研究中，無擴焰板的情況下，相同燃料雷諾數條件下，空氣與甲烷動量比由1降至0.8時，Teff=7.63%。在相同動量比之情形下，將燃料雷諾數由Refuel=225提高至Refuel=290，速度場變強時Teff=7.3%。斜面擴焰板，藉由改變擴焰板與噴嘴相對位置來探討火焰溫度場變化，在相同雷諾數及相同動量比條件下，燃料雷諾數Refuel=225時，在噴流全擋比噴嘴半擋情況下比較Teff=-8.9%。但當燃料雷諾數提高至Refuel=290時，噴嘴全擋比噴嘴半擋情況下比較Teff=6.7%。在不同動量比之條件，當動量比由1降至0.8時，噴嘴半擋情形下Teff=6.7%，而在噴嘴全擋情形下Teff=8.3%。
基於實驗結果得知，對於擴焰板之型式，選擇斜面擴焰板比平面擴焰板對火焰溫度效益提昇較好，而在雷諾數之選擇方面，提高燃料及空氣雷諾數時也會提高火焰溫度效益，而將maf由1降至0.8也會提高火焰溫度效益。

A Study on Impinging diffusion Flame with Splash Plate
Student：Meng-Yuan Tsai Advisors：Dr. Ay Su
Institute of Mechanical Engineering
Yuan-Ze University
ABSTRACT
The objective of this study is to enhance the combustion efficiency of the one-direction and reciprocal jet impinging flames by using different splash plates and regulating the locations of splash plates and nozzles at various momentum ratios and Reynolds numbers. To investigate the combustion efficiency, a splash plate was installed between two nozzles (72.5o included angle). Air and methane were supplied form two nozzles for adjusting operational conditions. A K-type thermal couple was employed to measure the temperature profiles of the flames. In this study, a plane and an incline splash plates were employed. The momentum ratios between methane and air were set to be 1 and 0.8, and the fuel of Reynolds numbers were set to be 225 and 290.
The results show that the combustion efficiency increased by employing the incline splash plate with one-direction flames: Teff=7.1% at Refuel=225 and Teff=11.3% at Refuel=290. Splash plates also can enhance the flame at lower Reynolds numbers. The Teff= 10.7% by using the plant splash plate, and Teff=6.5% by using the incline splash plate at Refuel =225 than these at Refuel =290.
At heterogenous jet impinging diffusion flame conditions, the Teff= 7.63% without the splash plate when the air/methane momentum ratios decreased from 1 to 0.8. The Teff=7.3% when the fuel of Reynolds number increased from 225 to 290 due to the enhancement of the velocity field. At Refuel =225 with an incline splash plate, the Teff= -8.9% when nozzles were fully-blocked than half-blocked at the same momentum ratio. In contrary, the Teff= 6.7% at Refuel =290. When the momentum ratios decreased from 1 to 0.8, the Refuel =6.7% when nozzles were half -blocked and Teff =8.3% when nozzles werefully-blocked.
In conclusions, to enhance temperature-effective, employing the incline splash plate is better than the plane one. Higher Reynolds numbers and lower momentum ratios also can increase the Teff value.

目錄
頁次
中文摘要----------------------------------------------------------------------------ⅰ
英文摘要----------------------------------------------------------------------------ⅱ
致謝----------------------------------------------------------------------------------ⅲ
目錄----------------------------------------------------------------------------------ⅳ
表目錄-------------------------------------------------------------------------------ⅸ
圖目錄-------------------------------------------------------------------------------ⅹ
符號說明-------------------------------------------------------------------------ⅹⅵ
第一章、 前言--------------------------------------------------------------------1
1.1. 簡介------------------------------------------------------------------------1
1.2. 應用與實驗目的---------------------------------------------------------5
第二章、 文獻探討--------------------------------------------------------------6
第三章、 實驗設計-------------- ----------------------------------------------11
3.1 實驗主題-----------------------------------------------------------------11
3.2 實驗氣體選擇----------------------------------------------------------11
3.3 雷諾數計算方式--------------------------------------------------------12
第四章、 主要控制參數說明------------------------------------------------12
4.1. 噴嘴出口之燃料雷諾數(Re) -------------------------------------12
4.2. 噴嘴出口之空氣雷諾數(Re) -------------------------------------13
4.3. 擴焰板形狀------------------------------------------------------------13
4.4. 擴焰板位置------------------------------------------------------------13
4.5. 空氣柱與燃料柱之出口動量比----------------------------------14
第五章、 實驗目的------------------------------------------------------------14
第六章、 實驗設施與控制方式P&I圖-----------------------------------14
6.1. 三維移動平台----------------------------------------------------------14
6.2. 精密平移台-------------------------------------------------------------15
6.3. 數位式氣體流量計----------------------------------------------------15
6.4. 氣體流量控制器及比例型電動針閥-------------------------------16
6.5. 控制方式及P&I圖----------------------------------------------------16
第七章、 實驗步驟-----------------------------------------------------17
第八章、 實驗方法-----------------------------------------------------17
8.1 燃料壓力管之安排----------------------------------------------17
8.2 噴嘴架設----------------------------------------------------------18
8.3 研究不同擴焰板與衝擊角度之相向噴流火焰溫度分布差異實驗進行方法----------------------------------------------------18
8.3.1 火焰溫度量測----------------------------------------------18
8.3.2 火焰量測平面決定方式-----------------------------------18
8.3.3 火焰溫度差異比較----------------------------------------19
8.4 改變空氣－甲烷非同質(unlike)衝擊火焰出口動量比，改善衝擊噴流火焰結構。--------------------------------------------------------19
8.5 實驗量測設備校正-----------------------------------------------------19
8.6 影響實驗準確度的最大因素-----------------------------------------19
8.7 實驗環境溫度控制-----------------------------------------------------20
第九章、 實驗結果----------------------------------------------------------20
9.1 擴焰板對相向噴流非同質燃燒影響分析--------------------------20
9.2 擴焰板及不同燃料量對單相噴流燃燒影響分析-----------------21
9.2.1 火焰形狀------------------------------------------------------------21
9.2.2 火焰燃燒狀況------------------------------------------------------21
9.2.2.1 相同擴焰板不同燃料雷諾數--------------------------21
9.2.2.2 相同燃料雷諾數不同擴焰板--------------------------22
9.3 無擴焰板相向噴流非同質燃燒相同動量比不同燃料及空氣雷諾數及不同動量比對燃燒影響分析--------------------------------24
9.3.1 相同動量比不同燃料及空氣雷諾數對燃燒影響分析------24
9.3.1.1 火焰狀況分析--------------------------------------------24
9.3.1.2 溫度量測狀況分析--------------------------------------25
9.3.1.3 溫度分佈分析--------------------------------------------25
9.3.2 不同動量比對燃燒影響分析------------------------------------26
9.3.2.1 火焰狀況分析--------------------------------------------26
9.3.2.2 溫度量測狀況分析--------------------------------------26
9.4 斜面擴焰板相向噴流非同質燃燒影響分析-----------------------27
9.4.1 噴嘴半擋------------------------------------------------------------27
9.4.1.1 相同動量比不同燃料及空氣雷諾數對燃燒影響分析---------------------------------------------------------------27
9.4.1.1.1 火焰狀況分析--------------------------------------27
9.4.1.1.2 溫度量測狀況分析--------------------------------28
9.4.1.1.3 溫度分佈分析--------------------------------------29
9.4.1.2 不同動量比對燃燒影響分析--------------------------29
9.4.1.2.1 火燄形狀分析--------------------------------------29
9.4.1.2.2 溫度量測狀況分析--------------------------------30
9.4.2 噴嘴全擋------------------------------------------------------------30
9.4.2.1 相同動量比不同燃料及空氣雷諾數對燃燒影響分析---------------------------------------------------------------30
9.4.2.1.1 火燄形狀分析--------------------------------------31
9.4.2.1.2 溫度量測狀況分析--------------------------------31
9.4.2.2 不同動量比噴嘴全擋火焰溫度量測情形溫度分佈分析------------------------------------------------------------31
9.4.2.2.1 不同動量比對燃燒影響分析---------------------32
9.4.2.2.2 火燄形狀分析---------------------------------------32
9.5 數據重複性比較--------------------------------------------------------32
第十章、 結果與討論-----------------------------------------------------33
10.1 單相噴流燃燒部份-----------------------------------------------------33
10.2 相向非同質噴流燃燒部份--------------------------------------------34
10.2.1 有無安裝擴焰板之比較-------------------------------------34
10.2.1.1 相同動量比-----------------------------------------------34
10.2.1.2 不同動量比-----------------------------------------------35
10.2.2 不同噴嘴與擴焰板相對幾何位置之比較----------------35
10.2.2.1 相同動量比-----------------------------------------------35
10.2.2.2 不同動量比-----------------------------------------------35
10.2.3 相同動量比不同燃料與空氣雷諾數之比較-------------35
第十一章、 結論--------------------------------------------------------------36
第十二章、 參考文獻--------------------------------------------------------36
表目錄
表一 實驗條件--------------------------------------------------------39
表二 CH4 Refuel=225 ReAir=185溫度量測情形-------------------------39
表三 單相火燄溫度量測情形---------------------------------------------39
表四 單相火燄溫度量測分析---------------------------------------------40
表五 單相火燄不同擴焰板溫度量測分析------------------------------40
表六 相向非同質相同動量比火燄溫度量測情形---------------------40
表七 相向非同質相同動量比火燄溫度分析---------------------------41
表八 相向非同質不同動量比火燄溫度量測情形---------------------41
表九 相同動量比不同雷諾數時火焰長寬比例分析------------------41
表十 相同動量比噴嘴半擋火焰溫度量測資料-------------------------41
表十一 相同動量比噴嘴半擋火焰溫度分析-------------------------------42
表十二 不同動量比噴嘴半擋火焰形狀分析-------------------------------42
表十三 不同動量比噴嘴半擋火焰溫度量測情形-------------------------42
表十四 相同動量比噴嘴全擋火焰形狀分析-------------------------------42
表十五 相同動量比噴嘴全擋火焰溫度量測情形-------------------------43
表十六 相同動量比噴嘴全擋火焰溫度量測分析-------------------------43
表十七 不同動量比噴嘴全擋之火焰量測情形----------------------------43
圖目錄
圖一 相向噴流擴散火焰結構圖----------------------------------------44
圖二 擴焰板幾何形狀----------------------------------------------------44
圖三 擴焰板與噴嘴相對位置圖----------------------------------------45
圖四 設備控制及資料擷取流程圖-------------------------------------46
圖五 實驗設備P&I圖----------------------------------------------------47
圖六 噴嘴燃燒器----------------------------------------------------------47
圖七 火焰量測平面位置圖----------------------------------------------48
圖八 實驗環境溫度控制流程-------------------------------------------48
圖九 CH4 Refuel=225 ReAir=185 XY 平面 Z=0 時之溫度量測狀況------------------------------------------------------------------------49
圖十 單相噴流火焰照片--------------------------------------------------49
圖十一 單向噴流火焰平面擴焰板XY平面溫度量測情況-------50
圖十二 單向噴流火焰CH4 Refuel =225平面擴焰板YZ平面溫度量測情況------------------------------------------------------------------50
圖十三 單向噴流火焰CH4 Refuel =290平面擴焰板YZ平面溫度量測情況------------------------------------------------------------------51
圖十四 單向噴流火焰斜面擴焰板XY平面溫度量測情況----------51
圖十五 單向噴流火焰CH4 Refuel =225斜面擴焰板YZ平面溫度量測情況------------------------------------------------------------------52
圖十六 單向噴流火焰CH4 Refuel =290斜面擴焰板YZ平面溫度量測情況------------------------------------------------------------------52
圖十七 單向噴流火焰相同雷諾數不同擴焰板溫度量測統計情況------------------------------------------------------------------------53
圖十八 單向噴流火焰相同雷諾數不同擴焰板溫度分佈百分比情況------------------------------------------------------------------------53
圖十九 單向噴流火焰相同擴焰板不同雷諾數溫度量測統計情況------------------------------------------------------------------------54
圖二十 單向噴流火焰相同擴焰板不同雷諾數溫度分佈百分比情況------------------------------------------------------------------------54
圖二十一 單向噴流火焰XY平面Z=0平面火焰尺寸量測情況------55
圖二十二 CH4 Refuel =225 ReAir =185 maf=1無擴焰板相向噴流火焰照片-------------------------------------------------------------------55
圖二十三 CH4 Refuel =225 ReAir =185 XY平面相向噴流無擴焰板火焰溫度量測情況----------------------------------------------------56
圖二十四 CH4 Refuel =225 ReAir =185 YZ平面相向噴流無擴焰板火焰溫度量測情況------------------------------------------------------56
圖二十五 CH4 Refuel =290 ReAir =237 maf=1無擴焰板相向噴流火焰照片---------------------------------------------------------------------57
圖二十六 CH4 Refuel =290 ReAir =237 XY平面相向噴流無擴焰板火焰溫度量測情況------------------------------------------------------57
圖二十七 CH4 Refuel =290 ReAir =237 YZ平面相向噴流無擴焰板火焰溫度量測情況------------------------------------------------------58
圖二十八 CH4 Refuel =290 ReAir =266 maf=0.8無擴焰板相向噴流火焰照片------------------------------------------------------------------58
圖二十九 CH4 Refuel =290 ReAir =266 XY平面相向噴流無擴焰板火焰溫度量測情況------------------------------------------------------59
圖三十 CH4 Refuel =290 ReAir =266 YZ平面相向噴流無擴焰板火焰溫度量測情況------------------------------------------------------59
圖三十一 無擴焰板相同動量比火焰尺寸量測狀況----------------------60
圖三十二 無擴焰板不同動量比火焰尺寸量測狀況----------------------60
圖三十三 無擴焰板相同動量比大於400℃溫度點比較-----------------61
圖三十四 無擴焰板相同動量比大於400℃溫度點分佈百分比比較------------------------------------------------------------------------61
圖三十五 無擴焰板不同動量比大於400℃溫度點比較----------------62
圖三十六 無擴焰板不同動量比大於400℃溫度點分佈百分比比較------------------------------------------------------------------------62
圖三十七 CH4 Refuel =225 ReAir =185 maf=1在斜面擴焰板噴嘴半擋相向噴流火焰照片---------------------------------------------------63
圖三十八 CH4 Refuel =225 ReAir =185 XY平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴半擋火焰溫度量測情況------------------------------63
圖三十九 CH4 Refuel =225 ReAir =185 YZ平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴半擋火焰溫度量測情況---------------------------------64
圖四十 CH4 Refuel =290 ReAir =237 maf=1在斜面擴焰板噴嘴半擋相向噴流火焰照片---------------------------------------------------64
圖四十一 CH4 Refuel =290 ReAir =237 XY平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴半擋火焰溫度量測情況------------------------------65
圖四十二 CH4 Refuel =290 ReAir =237 YZ平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴半擋火焰溫度量測情況---------------------------------65
圖四十三 CH4 Refuel =290 ReAir =266 maf=0.8在斜面擴焰板噴嘴半擋相向噴流火焰照片------------------------------------------------66
圖四十四 CH4 Refuel =290 ReAir =266 XY平面maf=0.8相向噴流斜面擴焰板噴嘴半擋火焰溫度量測情況------------------------------66
圖四十五 CH4 Refuel =290 ReAir =266 YZ平面maf=0.8相向噴流斜面擴焰板噴嘴半擋火焰溫度量測情況------------------------------67
圖四十六 斜面擴焰板噴嘴半擋相同動量比火焰尺寸量測狀況-------67
圖四十七 斜面擴焰板噴嘴半擋不同動量比火焰尺寸量測狀況-------68
圖四十八 斜面擴焰板噴嘴半擋相同動量比大於400℃溫度點比較------------------------------------------------------------------------68
圖四十九 斜面擴焰板噴嘴半擋相同動量比大於400℃溫度點分佈百分比比較------------------------------------------------------------69
圖五十 斜面擴焰板噴嘴半擋不同動量比大於400℃溫度點比較------------------------------------------------------------------------69
圖五十一 斜面擴焰板噴嘴半擋不同動量比大於400℃溫度點分佈百分比比較---------------------------------------------------------70
圖五十二 CH4 Refuel =225 ReAir =185 maf=1在斜面擴焰板噴嘴全擋相向噴流火焰照片--------------------------------------------------70
圖五十三 CH4 Refuel =225 ReAir =185 XY平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴全擋火焰溫度量測情況-----------------------------71
圖五十四 CH4 Refuel =225 ReAir =185 YZ平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴全擋火焰溫度量測情況--------------------------------71
圖五十五 CH4 Refuel =290 ReAir =237 maf=1在斜面擴焰板噴嘴全擋相向噴流火焰照片--------------------------------------------------72
圖五十六 CH4 Refuel =290 ReAir =237 XY平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴全擋火焰溫度量測情況-----------------------------72
圖五十七 CH4 Refuel =290 ReAir =237 YZ平面maf=1相向噴流斜面擴焰板噴嘴全擋火焰溫度量測情況-------------------------------73
圖五十八 CH4 Refuel =290 ReAir =266 maf=0.8在斜面擴焰板噴嘴全擋相向噴流火焰照片------------------------------------------------73
圖五十九 CH4 Refuel =290 ReAir =266 XY平面maf=0.8相向噴流斜面擴焰板噴嘴全擋火焰溫度量測情況---------------------------74
圖六十 CH4 Refuel =290 ReAir =266 YZ平面maf=0.8相向噴流斜面擴焰板噴嘴全擋火焰溫度量測情況---------------------------------74
圖六十一 斜面擴焰板噴嘴全擋相同動量比大於400℃溫度點比較------------------------------------------------------------------------75
圖六十二 斜面擴焰板噴嘴全半擋相同動量比大於400℃溫度點分佈百分比比較---------------------------------------------------------75
圖六十三 斜面擴焰板噴嘴全擋不同動量比大於400℃溫度點比較------------------------------------------------------------------------76
圖六十四 斜面擴焰板噴嘴全半擋不同動量比大於400℃溫度點分佈百分比比較---------------------------------------------------------76
圖六十五 斜面擴焰板噴嘴全擋相同動量比火焰尺寸量測狀況------77
圖六十六 斜面擴焰板噴嘴全擋不同動量比火焰尺寸量測狀況------77
符 號 說 明
Ui ：噴嘴出口流速（m/s）
θ ：噴嘴與垂直線之夾角
Lf ：火焰長度（mm）
Wf ：火焰寬度（mm）
Re ：雷諾數
D ：噴嘴直徑（m）
νfuel ：燃料黏度（cP）
νAir ：空氣黏度（cP）
ρfuel ：燃料密度（kg/m3）
ρAir ：空氣密度（kg/m3）
maf ：空氣/燃料之動量比
Refuel ：燃料雷諾數
ReAir ：空氣雷諾數
Teff ：大於400℃溫度點數增加比率
Rhw ：大於900℃溫度分佈圖之高度與寬度比值
A/F ：空氣與燃氣比

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