碩士生: 蔡文淵
畢業年分: 2022年7月
論文名稱: 三環燃燒器中甲烷/一氧化二氮擴散火焰的熵產生率(中文) / Entropy generation rate of methane-nitrous oxide diffusion flames in triple-port burner(英文)
中文摘要:
本研究採用三環燃燒器，並通過數值模擬研究CH4-N2O擴散火焰的熵生成率隨 R 值的變化。為了研究N2O分解所產生的熱效應對熵生成率的影響，在CH4-N2-O2擴散火焰中使用了與N2O相同的氮氧比(N/O = 2)的富氧氣體以利比較。此外，由於N2O分解後會生成富氧氣體，因此本研究亦利用 CH4-air擴散火焰研究了富氧效應對於熵生成率的影響。結果表明，在R值為1的條件下，富氧效應並不會影響火焰的性質和熵產生率。但是，當R值足夠大（R=5）時，CH4-N2-O2擴散火焰會呈現雙火焰結構以及更高的熵產生率。由於雙火焰結構，儘管在CH4-air和CH4-N2-O2擴散火焰中擁有類似的主要反應途徑，但是大部分的主要反應皆會得到增強。因此，由於反應區更強且分佈更廣，化學反應項將主導CH4-N2-O2擴散火焰中熵產生率的增強。在CH4-N2O擴散火焰中，當N2O在靠近中心管口附近發生分解時，會產生放熱反應。此外，由於與N2O相關的數個反應會參與反應過程，因此在CH4-N2O擴散火焰中會呈現出不同於前兩者的主要反應途徑。因此，CH4-N2O 擴散火焰中的反應會更加劇烈，且由於反應強度的增強，化學反應項將會導致更高的熵產生率發生於CH4-N2O擴散火焰中。當 R 值增加（R = 3）時，雙火焰結構亦會呈現在CH4-N2O擴散火焰中，且是在 R 值低於CH4-N2-O2擴散火焰(R = 5)的條件下，這代表N2O分解的熱效應有助於提升反應的的速率。由於CH4-N2O擴散火焰中的反應更劇烈且火焰溫度更高，熵產生率會因此而更進一步增加，並且也由化學反應項主導此差距。CH4-air擴散火焰於此研究中皆呈現單一火焰結構，其不可逆性主要由熱傳導和化學反應主導。在R值小於5的條件下，CH4-N2-O2擴散火焰亦是如此。但當R值=5條件下，CH4-N2-O2擴散火焰將會形成雙火焰結構，由於反應增強而使化學反應項主導不可逆性的生成。在CH4−N2O擴散火焰中，由於N2O分解的熱效應引起的反應更加強烈，因此在所有R值條件下，化學反應始終主導著不可逆性的產生。此外，在R值 = 3 的條件下，化學反應的不可逆性幾乎是CH4-N2-O2擴散火焰(R = 5)的兩倍，儘管在 CH4-N2-O2 擴散火焰中亦呈現出雙重火焰結構。有了這些結果，化學反應項將是提高 CH4-N2O 擴散火焰效率的關鍵點之一。
英文摘要:
This study examines the entropy generation rate in CH4-N2O diffusion flames using a tri-annular burner and numerical simulations. The influence of thermal effects from N2O decomposition on entropy generation rates was explored by comparing the CH4-N2O diffusion flame with a nitrogen-oxygen mixture (N/O = 2) in CH4-N2-O2 diffusion flames. Additionally, the study analyzes the effect of oxygen enrichment on entropy generation using CH4-air diffusion flames.
Results reveal that oxygen enrichment does not affect properties or entropy generation when the equivalence ratio (R value) is 1. However, when the R value is large (R=5), the CH4-N2-O2 diffusion flame exhibits a double-flame structure and a higher entropy generation rate due to enhanced chemical reactions. In the CH4−N2O diffusion flame, N2O decomposition near the center of the tube generates an exothermic reaction and multiple reactions associated with N2O decomposition affect the combustion process, resulting in a distinct primary reaction pathway.
The CH4-air diffusion flame and CH4-N2-O2 diffusion flame exhibit a single flame structure, primarily governed by heat conduction and chemical reactions when R value is less than 5. In the CH4−N2O diffusion flame, chemical reactions dominate entropy generation across all R values, particularly when the R value is 3.
