垂直潛置射流近域流場之探討

Abstract

本文旨在應用流場可視化及三光束二維雷射杜普勒測速儀，探討垂直潛置 射流近域流場相關結構 (coherent structure) 之特性。根據 Townsend (1956)、Brown & Roshko (1974)、Hussain (1983)、蕭、鄭 (1986)、 Chao & Han (1987)等人研究得知相關結構是自由剪層流的結構特性，其 造成的主要原因係為速度差所引起。其乃是主宰紊流物理機構 (physical mechanism) 的主要因素，有關流場中質量、動量及渦動的傳 輸，皆受相關結構所控制。為明瞭其力學機構，本文首先以流場可視化 法(採用二氧化鈦混合液、螢光染料注入及鋁粉微粒等做為追蹤劑),探討 射流場自噴嘴往下游移動時，渦流結構的形成、成長與配對等發展過程， 同時並予以具像化；另以 LDV量測系統量測射流場之基本特性。量測分析 項目包含：射流場（出口）縱向平均速度剖面分佈、射流軸向速度沿下游 位置之遞減率、渦流結構之基本頻率、其與出口速度之變化，以及無因次 化參數St與Re之關係。根據本文之分析與討論，實驗研究之結果綜合歸納 如下：1)根據可視化實驗結果，於觀察射流水體渦流結構之運動現象，若 以二氧化鈦混合液施放法，並配合薔薇黃螢光染料注入法之方式，較鋁粉 微粒追蹤法更能彰顯流場之特性。 2)渦流開始產生的位置，有隨著射流 出口速度的增加而提前的趨勢，惟於R0≧4738後，提前趨勢趨緩，大抵維 持在x/D≒1.2處。3)經 LDV量測分析結果，本實驗條件於Re≦12992 之時 ，射流出口起始流況均為層流分佈。4)本實驗量得渦流基本頻率f0和射流 出口速度Ue之關係，與Gutmark & Ho (1983) 之實驗結果趨勢一致；經分 析得知 St;與Re之關係，若以冪次迴歸則可表示為St=0.063Re^0.269 ， 此與 Meynart(1983)、Durao & Pita(1984)及Chao& Han (1987)等之結果 相較，趨勢大致相符。