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研究生: 張智超
JHIH CHAO JHANG
論文名稱: 設置垂直式水洞圓管噴流實驗
Preliminary Study on a Round Tube Jet in a Vertical Water Tunnel
指導教授: 林怡均
Yi-Jiun Lin
口試委員: 黃榮芳
Rong-Fung Huang
趙修武
Shiu-Wu CHAU
孫珍理
Chen-li Sun
閻順昌
Shun-Chang Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 99
中文關鍵詞: 質點影像速度儀質點軌跡速度儀直立式水洞凸出管噴流
外文關鍵詞: Particle Image Velocimetry (PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV), vertical water tunnel, tube jet
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  • 本論文的研究目的為設置圓管噴流組件應用於探討圓管噴流實驗,與使用質點影像速度儀(PIV)方法和質點軌跡速度儀(PTV)方法計算直立式水洞對應之垂直流速。實驗進行在不干擾流場下進行全域流場的速度量測,實驗使用三具半導體綠光雷射經由光頁產生裝置(玻棒)將雷射光頁照射入直立式水洞之測試段中,並在直立式水洞之上方水槽加入大量質點,質點經由雷射光頁照射能產生散射,因為質點密度與水相當接近,所以可將懸浮質點視為流體質點。本研究工作調整直立式水洞變頻器的頻率調整馬達的運轉速度,並且使用高速攝影機記錄流場影像。在同解析度下,擷取的連續影像,首先使用目視估算流場的方法計算流場速度,接著使用質點影像速度儀(PIV)方法和質點軌跡速度儀(PTV)方法來計算流場速度,將以上三者計算的結果加以比較,可得知流場速度在低速(2Hz到10Hz)時,質點影像速度儀(PIV)方法計算的速度變異範圍在8%以內,質點軌跡速度儀(PTV)方法計算的速度變異範圍在4%以內;流場速度在高速(11Hz到30Hz)時,質點影像速度儀(PIV)方法計算的速度變異範圍在8%以內,質點軌跡速度儀(PTV)方法則無法計算出流場速度。PIV計算方法與PTV計算方法於高流場速度時,在分析計算上較困難,原因在於所截取的影像呈現為線(line),若能增強雷射的強度與降低高速數位攝影機的曝光時間,則拍攝的影像會呈現為點(dot),分析計算的誤差範圍則會降低許多。


    The purpose of this paper is to establish the round tube jet assembly in a vertical water tunnel, and measure the flow speed by using Particle Image Velocimetry (PIV) and Particle Tracking Velocimetry (PTV). Both PIV and PTV measurement approaches do not disturb the flow field. Experiments were illuminated by a green laser light sheet that was formed by cylindrical glass lenses in front of three semiconductor laser generators. Water in the vertical tunnel was seeded by tracer particles, which could scatter the laser light.
    A high-speed digital camera was recording images of experiments. The flow velocity was estimated by the motion of these particles. The particles have similar density as that of water, so they are regarded as part of the fluid in the water tunnel. Water pump power was adjusted by changing the frequency of the inverter. Three distinct methods, simple visual method, PIV method and PTV method, were used to estimate the flow velocity. Experimental results show that, at low speed (2Hz to 10Hz), the velocity measurements of PIV have a deviation of 8% or less, and measurements of PTV have a deviation of 4% or less. At high speed (11Hz to 30Hz), the measurements of PIV have a deviation of 8% or less, and PTV fails to estimate the flow velocity. For high speed, enhancing intensity of the laser and reducing exposure time of the camera could reduce analysis error.

    目錄 中文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i 英文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii 致謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii 目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 符號索引 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi 表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii 1 緒論 1.1 研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 論文結構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 實驗設備,儀器與方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1 直立式水洞 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 噴流組件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3 無縫不鏽鋼圓管尺寸 ?÷ . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.4 重要參數定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 實驗儀器及方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 質點影像速度儀(Particle Image Velocimetry, PIV). . . 17 2.2.2 質點軌跡速度儀(Particle Tracking Velocimetry, PTV). .21 2.3 實驗步驟. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 2.3.1 實驗前準備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.2 實驗記錄資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3 實驗結果與分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1 二維流場影像分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.1 影像座標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.2 流場速度估算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 質點影像速度儀(Particle Image Velocimetry, PIV). . . . . . 24 3.2.1 PIV分析方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.2 速度資料之擷取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3 平均值與標準差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 質點軌跡速度儀(Particle Tracking Velocimetry, PTV) . . . . 29 3.3.1 影像擷取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.2 質點的辨識 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.3 PTV分析方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.4 PTV分析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 垂直式水洞流速分析結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.5 凸出圓柱管尾流場分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 結論與建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2 建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

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