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研究生:林文基
研究生(外文):W. J. Lin
論文名稱:甲烷與丙烷預混紊流燃燒速度的量測
論文名稱(外文):Measurements of Turbulent Burning Velocities of Methane and Propane
指導教授:施聖洋
指導教授(外文):S. S. Shy
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:60
中文關鍵詞:近似等向性紊流紊流燃燒速度離子探針量測壓力效應彎折效應雷諾數效應
外文關鍵詞:nearly isotropic turbulenceturbulent burning velocitiesion-probe measurementspressure effectbending effectReynolds number effect
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本研究主要針對本實驗室所設計建造之新式預混燃燒器,以自製離子探針為量測方法,定量量測甲烷與丙烷之預混紊流燃燒速度,它影響了預混紊焰所有的性質並與內燃機的設計和大氣氣爆息息相關。新式燃燒器由兩段互相垂直的圓柱鋼管焊接而成,此十字型風扇擾動式燃燒器,主要設計概念為使預混焰於燃燒器頂端引燃後由上往下傳播,以減輕浮力效應可能造成的影響,並於引燃的同時迅速打開頂端四個大排氣閥,以維持一大氣壓下之定壓燃燒,降低壓力效應的影響;而位於燃燒器水平圓管兩端之大型風扇以反向旋轉方式產生強烈渦流,再經由特製空孔板的整流後,可提供一近似均勻等向性之紊流場於十字型燃燒器之核心區。我們針對此燃燒器之核心測試區內,應用離子探針進行一系列預混紊焰燃燒速度的量測,涵蓋了寬廣範圍的燃氣當量比及紊流強度,實驗所得結果並與Bradley(1992)等相關實驗結果作一比較分析。
實驗方法主要針對甲烷與丙烷二種燃氣與空氣以不同當量比進行預混後(前者ψ= 0.7∼1.4而後者ψ= 0.65∼1.6),定量量測於不同風扇轉頻下(即不同紊流強度u''/SL = 0∼50,SL為層流火焰速度)預混焰之燃燒速度。實驗結果主要分為三方面:一、首先針對燃燒器內部進行壓力效應診測,結果發現燃燒器之測試區在預混焰通過瞬間,的確存在壓力的驟昇變化,這主要是因為燃燒器頂端之四個大排氣閥,無法及時排出因劇烈紊流燃燒所膨脹產生的氣體所致;但接下來我們量測不同壓力差對紊流燃燒速度的影響,發現本燃燒器內部之壓力效應對紊流燃燒速度的影響不大,基本上可予以忽略不計。二、實驗結果經統計運算與誤差分析後,證實了離子探針在預混紊流燃燒速度的量測上,為一合適的量測方法並具有相當的正確性與可信度。三、本實驗綜合了一系列甲烷與丙烷的量測結果,經統計運算後與Bradley(1992)之實驗結果進行比對,結果證實了彎折效應(bending effect)的確存在,並且本實驗結果之彎折現象較Bradley之結果更為明顯,在u''/SL>10之後,繼續增加紊流強度反而會使紊流燃燒速度減小;此外我們也分析比較了紊流雷諾數(ReT)、卡洛維茲數(Ka)和路易斯數(Le)對紊流燃燒速度的影響,結果發現雷諾數效應(ReT /(Le*Le))的影響在本實驗結果中比Bradley之結果較不明顯,而KaLe的影響趨勢與Bradley之結果相近,但範圍上仍有不小差距。
Turbulent burning velocities of methane-air and propane-air mixtures are extensively measured in a cruciform premixed turbulent combustor. This burner has been established in our laboratory for some time. It can provide a stably downward propagating premixed flame at one atmosphere through a 3-D, fully developed, nearly isotropic turbulent flow field. This is achieved by ignition and simultaneously opening valves on top of cruciform burner. Two identical counter-rotating fans are equipped at each end of the horizontal vessel of the burner, generating two intense counter-rotating large vortical streams. Each of both turbulent streams passes through a specially designed perforated plate, intertwining with each other, to generate the desired turbulence located in the core region of the cruciform burner. We measure turbulent burning velocities using a home-built ion-probe method for a wide range of mixture conditions and turbulent intensities. Our results contain three parts. First, we conduct a series experiments for analyzing the pressure effect. It is found that the pressure rise due to intense burning has little influence on the turbulent burning velocity. Secondly, we show that the current ion-probe method is pertinent for turbulent burning velocities measurements. Thirdly, our turbulent burning velocity plots reveal that the bending phenomenon is certain. These results are discussed in terms of turbulent Reynolds number、Karlovitz number and Lewis number and compared with previous results using different apparatuses.
第一章 簡介
1.1 動機
1.2 文獻回顧
1.3 論文概要
第二章 實驗設備與量測方法
2.1 預混紊流燃燒器介紹
2.2 預混焰燃燒速度量測
2.3 燃燒器內部之壓力效應診測
2.4 實驗範圍與誤差分析
第三章 結果與討論
3.1 壓力效應分析
3.1.1 加裝釋壓閥的影響
3.1.2 對燃燒速度的影響
3.2 層流燃燒速度量測
3.2.1 離子探針與雙攝影機之量測結果
3.2.2 與其他實驗結果之比較分析
3.3 紊流燃燒速度量測
3.3.1 當量比對於紊流燃燒速度的影響
3.3.2 紊流強度對於紊流燃燒速度的影響
3.3.3 不同層流速度之正規化的影響
3.4 與其他相關實驗結果與理論之比較
3.4.1 與其他相關研究結果之比較
3.4.2 與Bradley實驗結果的比較分析
第四章 結論與未來工作
4.1 壓力效應的影響
4.2 層流燃燒速度量測
4.3 紊流燃燒速度量測
4.4 未來工作
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