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科研新知:蠟燭火焰振盪器為燃燒器的穩定性發出一道光芒

      印度理工學院馬德拉斯分校:蠟燭火焰振盪器為燃燒器的穩定性發出一道光芒

  印度理工學院馬德拉斯分校研究人員把蠟燭綁在一起,他們綁兩支蠟燭和綁四支蠟燭,做出了有趣的研究,將有助於製作火箭燃燒器。

  我們知道1969年阿波羅11號成功地將人送到月球上。失敗為成功鋪路,但其中的失敗鮮為人知。比如1962年在測試台時,火箭F1引擎熱聲故障就是其中之一。當美國航空暨太空總署測試火箭發射時,它就爆炸了。原因是燃料的燃燒不均勻。就像蠟燭在周圍氧氣不均勻時燃燒會導致火焰閃爍一樣,F1引擎內部的火焰發生閃燃,這種只發生在高頻率的不穩定讓火箭炸開了。這稱作燃燒器的熱聲不穩定性,另外也被稱為高振幅壓力振盪。

  由於複雜的燃料噴射系統,燃燒器含有多組火焰。印度理工學院馬德拉斯分校航空工程系的R.I.Sujith教授說:「這些火焰與聲場(壓力變化)的交互作用綜合導致熱聲不穩定性。為了在比較經濟的環境中,更容易了解多組火焰之間的交互作用,我們開始研究蠟燭的火焰振盪器。」

  藉由研究將兩支或三支蠟燭綁在一起,讓它們的火焰融合,可以按照縮小比例的方法了解熱聲不穩定性現象以及其他相關的問題。當蠟燭緊鄰時,這些蠟燭的火焰會同步振盪也會有產生多種現象。 該校的研究人員研究了這種蠟燭火焰振盪器,並公開目前為止僅在理論上所知的一些現象的實驗。相關問題的研究已經在《科學報告》和《物理評論E輯》發表。

  其中一種現象是振幅死亡,這是由於不一樣的火焰之間的耦合而導致振盪完全平息。另一個現象是相位翻轉分叉,突然從同相同步到異相同步的變化。

  論文作者Sujith教授寫給印度教報的電子信件中提到:「我們的蠟燭研究是首次通過實驗證明單個系統中兩種狀態都可存在的研究。這兩個狀態共同存在一個系統可避免其他振盪器中不理想狀態的可能性。」他也解釋,這樣的研究在神經振盪器中振幅死亡出現的狀態,諸如神經疾病的研究,像是阿茲海默症和帕金森氏症也模擬這樣的情況。另一方面,類似熱聲振盪器的震盪系統,其中振幅衰減也常運用在橋樑和摩天大樓建構上。

  Sujith教授說:「單個系統中振幅死亡和相位翻轉分叉狀態的共存,促使這種可能性,也就是經由改變系統特定的控制,把振幅死亡狀態的不良系統可以轉換到相翻轉分叉狀態。」 

  實驗為研究團隊提供了有用的輸入,幫助他們解決感到興趣的最初問題–燃燒器中的熱聲現象。Sujith教授說:「我們得到了非常相關的資料,關於在燃料器中的噴嘴或火焰的位置,如何能讓本質穩定(或者在燃燒器中呈現振幅死亡狀態)。」他又補充,他們相信在四支燭式火焰振盪器的研究,可助於了解熱聲系統(兩個以上)的交互作用,該系統實際上用於筒或環筒型燃氣渦輪機燃燒器。 因此,我們將能同時控制所有燃燒器中的熱聲振盪。我們正在計畫建造這類的測試台。」

 

 

(資料來源:The Hindu, February 9, 2020)

更新日期 : 2020/05/04