背向階梯流場之剪流層非穩態特性研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	黃興閎 Huang, Tony Hsin-Hong
論文名稱：	背向階梯流場之剪流層非穩態特性研究 Transient Flow Structure of Shear Layer over a Backward-Facing Step
指導教授：	楊鏡堂
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2004
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	151
中文關鍵詞：	突張室、背向階梯、暫態、再接觸、分離流場、壁面噴流、PIV 、頻譜
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　　背向階梯流場為最典型的邊界層分離後再接觸之流場（separated/ reattached boundary layer flow），於工程上有相當廣泛的應用，其穩態結構及各種應用之相關研究資料豐富，本文嘗試以不同於其他研究的觀點，利用五種不同階梯結構及含壁面噴流之背向階梯變化流場，進行PIV、流場觀測及壓力擾動等實驗量測，以暫態流場結構的觀點出發，分析不同流場造成基本構造的改變。實驗規劃以流場觀測作為流場暫態行為的依據，以PIV量測取得速度場及流場紊流性質，再以壓力擾動頻譜驗證流場中的結構變化特徵。
　　實驗中得知暫態流場結構和穩態結構大為不同，各部分細部結構間相互作用呈現不斷變化的非穩定狀態，剪流層為流逸之渦流所構成，主迴流區為多重迴流泡所形成，這些迴流泡為剪流層渦流相互作用後組成，角落渦漩大小隨時間消長。剪流層渦漩有三種主要發展模式交替出現，回饋噴流有兩種行為模式，是為角落渦漩之消長驅動源。
　　在不同階梯形狀之流場中可歸納出角落渦漩、回饋噴流及剪流層三者間的交互作用，並且於迴流區長度有相符合的解釋。角落渦漩的大小和結構是背向階梯流場表現的關鍵因素，以綜觀的角度而言，角落渦漩和鄰近流體之質量交換不明顯，故在相同迴流區尺度下，角落渦漩尺度愈大則迴流量愈小。但角落渦漩和主迴流區之質量交流對於不同的角落渦漩結構卻有重要的影響。
　　含壁面噴流之背向階梯流場實驗發現，壁面噴流對迴流結構的影響順序為角落渦漩、主迴流區及剪流層，含有自由流質量之流體逐漸無法進入噴流流體主導之趨勢，確立了整個流場的質量交流路徑為自由流、剪流層、主迴流區而至角落渦漩。
　　壓力擾動頻譜中顯示，本實驗中基本背向階梯流場的特徵頻率大約為n = 1.23（53 Hz），此流場主頻為主迴流區之迴流泡所造成之訊號，而階梯角落及再接觸區之極低頻特徵頻率接近，間接證明了剪流層低頻拍擊運動與角落渦漩消長有關。
　　本文對於背向階梯流場之非穩態特性作深入的探討，釐清各細部結構間的相互作用，凸顯了其功能性與多樣性，期望本研究之成果能夠提供後進研究者一個思緒方向，對於背向階梯流場的應用，也提供了更多的思考空間及參考價值。

目錄
摘要    I
目錄    III
圖表目錄    VII
符號說明    XI
第一章　前言    1
第二章　文獻回顧    4
2-1　基本背向階梯流場    4
2-2　含壁面噴流之背向階梯流場    7
2-3　背向階梯流場之暫態效應    8
2-4　粒子影像測速儀    12
2-5　本研究之定位    13
第三章　實驗設計    16
3-1　實驗設備與原理    16
3-1.1　供氣系統    16
3-1.2　風洞    17
3-1.3　兩軸定位平台    20
3-1.4　壁面噴流系統    21
3-1.5　粒子植入系統    22
3-1.6　流場觀測系統    23
3-1.7　壓力及頻譜量測系統    25
3-1.8　速度量測系統    26
3-2　實驗方法與參數    30
3-2.1　實驗項目    30
3-2.2　主要量測方法及參數    32
3-2.2.1　流場觀測    32
3-2.2.2　速度量測    33
3-2.2.3　壓力量測    33
3-2. 3　實驗總結    34
第四章　背向階梯流場之暫態結構    35
4-1　背向階梯流場之穩態結構    35
4-2　背向階梯流場之暫態結構    40
4-2.1　角落渦漩之結構變化    41
4-2.2　剪流層之渦流流逸    42
4-2.3　回饋噴流    45
4-3　整體暫態流場結構與壓力擾動頻譜    46
4-4　流場之極低頻訊號    50
4-5　綜合討論    52
第五章　階梯形狀對剪流層行為的影響    55
5-1　不同階梯階梯形狀之流場結構    55
5-1.1　Step2之流場結構    56
5-1.2　Step3之流場結構    61
5-1.3　Step4之流場結構    64
5-1.4　Step5之流場結構    69
5-2　壓力擾動頻譜    72
5-2.1　各流場之寬頻域壓力擾動頻譜比較    72
5-2.2　流場之低頻域擾動頻譜    77
5-3　剪流層厚度    79
5-4　綜合討論    80
第六章　壁面噴流對剪流層行為的影響    84
6-1　含壁面噴流背向階梯流場之結構改變    84
6-2　流場紊流特性    88
6-3　暫態流場結構    91
6-3.1　迴流模態Ａ    91
6-3.2　迴流模態B    93
6-3.3　蒸散模態    94
6-4　壓力擾動頻譜分析    96
6-5　綜合討論    97
第七章　結論與未來展望    99
7-1　結論    99
7-2　未來展望    102
第八章　參考文獻    104
附錄A-0　壓力頻譜量測－頻譜校正    113
附錄A-1　壓力頻譜量測－step1    116
附錄A-2　壓力頻譜量測－step2    121
附錄A-3　壓力頻譜量測－step3    126
附錄A-4　壓力頻譜量測－step4    131
附錄A-5　壓力頻譜量測－step5    136
附錄B-0　壓力頻譜量測－頻譜校正    141
附錄B-1　壓力頻譜量測－迴流模態B    143
附錄B-2　壓力頻譜量測－蒸散模態    148


圖表目錄
表3-1　供氣系統設備性能列表    16
表3-2　冰水機性能一覽表    22
表3-3　PIV之量測參數表    33
表5-1　各種階梯之流場特徵    55
圖1-1　基本背向階梯流場結構示意圖    2
圖2-1　兩種冷卻方式示意圖：(1) 薄膜冷卻；(2) 蒸散冷卻    7
圖3-2　風洞測試區：(a) 實體圖（林彥夆，2003）；(b) 示意圖    19
圖3-3　透明蓋板    20
圖3-4　可水平移動蓋板    20
圖3-5　TSI兩軸精密定位移動平台：(a) 斜視圖；(b) 後視圖    21
圖3-6　粒子植入系統：(a) 粒子產生器；(b) 粒子通入風洞之導管    23
圖3-7　流場觀測系統    24
圖3-8　HP 35670A頻譜分析儀    25
圖3-9　壓力及頻譜量測系統    26
圖3-10　PIV系統實體圖：(a) 電腦及雷射電源；(b) 雷射管與攝影機    29
圖3-11　五種不同階梯形狀（繪圖未依精確尺寸）    31
圖4-1　背向階梯流場之穩態結構    36
圖4-2　PIV量測－背向階梯平均流場    37
圖4-3　PIV量測－dU/dy等位線圖    37
圖4-4　PIV量測－vorticity等位線圖    38
圖4-5　PIV量測－紊流強度等位線圖    39
圖4-6　PIV量測－ 等位線圖    40
圖4-7　背向階梯流場之暫態結構約略示意    41
圖4-8　角落渦漩之極限狀態    42
圖4-9　流場觀測－渦流配對及流逸    44
圖4-10　流場觀測－渦流配對    45
圖4-11　(a) 壓力擾動能量分布圖；(b) 壓力擾動分布圖    50
圖4-12　壓力擾動頻譜－再接觸區    52
圖4-13　壓力擾動頻譜－階梯角落    52
圖5-1　PIV量測－平均流場向量圖    56
圖5-2　PIV量測－紊流強度等位線圖    57
圖5-3　PIV量測－ 等位線圖    58
圖5-4　PIV量測－vorticity等位線圖    58
圖5-5　流場觀測－step2之渦流流逸    59
圖5-6　角落渦漩之極限狀態：(a) 強勁小渦漩；(b) 微弱大渦漩    60
圖5-7　PIV量測－平均流場向量圖    62
圖5-8　PIV量測－vorticity等位線圖    62
圖5-9　PIV量測－紊流強度等位線圖    63
圖5-10　PIV量測－ 等位線圖    63
圖5-11　角落渦漩之極限狀態：(a) 強勁小渦漩；(b) 微弱大渦漩    64
圖5-12　PIV量測－平均流場向量圖    65
圖5-13　PIV量測－vorticity等位線圖    66
圖5-14　PIV量測－紊流強度等位線圖    66
圖5-15　PIV量測－ 等位線圖    66
圖5-16　角落渦漩之極限狀態：(a) 強勁小渦漩；(b) 微弱大渦漩    67
圖5-17　回饋噴流之終點與剪流層渦流之起點    68
圖5-18　PIV量測－平均流場向量圖    69
圖5-19　PIV量測－vorticity等位線圖    69
圖5-20　PIV量測－紊流強度等位線圖    70
圖5-21　PIV量測－ 等位線圖    70
圖5-22　角落渦漩之極限狀態：(a) 強勁小渦漩；(b) 微弱大渦漩    71
圖5-23　step2流場：(a) 壓力擾動能量分布圖；(b) 壓力擾動分布圖    73
圖5-24　step3流場：(a) 壓力擾動能量分布圖；(b) 壓力擾動分布圖    74
圖5-25　step4流場：(a) 壓力擾動能量分布圖；(b) 壓力擾動分布圖    75
圖5-26　step5流場：(a) 壓力擾動能量分布圖；(b) 壓力擾動分布圖    76
圖5-27　極低頻壓力擾動訊號頻譜    78
圖5-27　各流場剪流層厚度變化圖    79
圖6-1　PIV量測－平均流場向量圖    86
圖6-2　PIV量測－平均流場渦度等位線圖    87
圖6-3　PIV量測－平均流場紊流強度等位線圖    89
圖6-4　PIV量測－平均流場雷諾剪應力等位線圖    90
圖6-5　流場觀測－迴流模態A    93
圖6-6　流場觀測－迴流模態B    94
圖6-7　流場觀測－蒸散模態    95


符號說明
dI　     影像直徑（image diameter），Adrian（1991）
dint　    計算單元直徑（diameter of interrogation cell），Adrian（1991）
E(f)　    頻譜函數
f　    頻率（Hz）
F(n)　    頻譜函數
 　     位置之灰階值
h　    階梯高度（m）
H　    階梯高度（m），Chun and Sung（1998）
I　    光強度（cd/m2）
M　    鏡組放大倍率（lens magnification），Adrian（1991）
n 　    無因次頻率，fXR/U
NS　    粒子密度（source density），Adrian（1991）
NI　    影像密度（image density），Adrian（1991）
p　    壓力（N/m2）
ｒ　    平面影像中的位置（m）
 　    影像中粒子間之相對向量
 　    相關函數（correlation function）， 和 分別代表橫向和縱向位移的參數
Reh　    Reynolds number，Uh/ν
s　    階梯高度，Huang and Fiedler（1997）
StXR　    Strouhal number，fXR/U
StH　    Strouhal number，fH/U，Chun and Sung（1998）
t　    時間（s）
t*　    無因次時間，Ut/s，Huang and Fiedler（1997）
 　    x方向速度（m/s）
 　    x方向速度平均速度（m/s）
 　    x方向速度速度擾動量（m/s），
      x方向速度（m/s）
U　    自由流流速（m/s）
U0　    進口流流速（m/s）
 　    y方向速度（m/s）
 　    z方向速度（m/s）
XR　    迴流區長度（再接觸長度）（m）
Δt　    時間間隔（s）
ΔX　    x方向位移（m）
Δz　    雷射光頁厚度，Adrian（1991）
μ　    流體黏滯度（Ns/m2）
ν　    流體動力黏滯度，μ/□（m2/s）
□　    流體密度（kg/m3）
δs　    分離點邊界層厚度（mm）
 　    漩度（s-1）
 　    渦度（s-1）
 　    紊流強度（100%）

                                

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