不同動量通量比的水平圓柱管噴流在垂直橫流中交互作用之實驗研究

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研究生：	楊盛翔 Sheng-shiang Yang
論文名稱：	不同動量通量比的水平圓柱管噴流在垂直橫流中交互作用之實驗研究 Experimental study of a horizontal round tube jet in a vertical crossflow at different momentum flux ratios
指導教授：	林怡均 Yi-Jiun Peter Lin
口試委員:	趙修武 Shiu-Wu Chau 張倉榮 none 朱佳仁 none
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：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	297
中文關鍵詞：	流場可視化、質點影像速度儀、垂直式水洞、圓柱管、凸出圓柱管噴流、渦漩逸放
外文關鍵詞：	flow visualization, Particle Image Velocimeter(P.I.V.), vertical water tunnel, cylindrical tube, round tube jet, eddy traveling frequency
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本論文探討凸出壁面某一距離圓柱管噴流在不同動量通量比之下的
流場結構, 將實驗觀測範圍分為垂直橫流流過圓柱管(R = 0) 與水平圓
柱管噴流與垂直橫流交互作用(R = 0.16 ∼ 48) 及水平圓柱管噴流進入
靜止流體(R = ∞)。垂直橫流由閉迴路直立式水洞提供, 橫流雷諾數範
圍為ReD = 250 ∼ 1080, 特徵長度為圓柱管外徑。圓柱管噴流由馬達加
壓經過浮子流量計後注入圓柱管所產生, 噴流雷諾數範圍為Rej=250 ∼
2580, 特徵長度為圓柱管內徑。本研究利用流場可視化及質點影像速度儀
(P.I.V.) 觀測流場的結構。
垂直橫流流過水平圓柱管的觀測包括由橫向垂直剖面在X/D = -1.5,
-2.5, -7.5位置。在X/D = -1.5處, 圓柱管下游包覆區內存在一對反向渦
漩, 包覆區下方尾流區的跡線直線向下流。在X/D = -2.5處, 包覆區內受
到不同強度橫流下洗的影響, 渦漩產生不規律的衍化, 尾流道呈現S 形擺
動。在X/D = -7.5處, 渦漩逸放呈現週期衍化, ReD越高, 衍化頻率越快。
水平噴流與垂直橫流交互作用觀測縱向(Z/D = 0) 及數個橫向垂直
剖面於不同的動量通量比, R。垂直縱向剖面在Z/D = 0, R = 2.1時為
流場轉換值, R < 2.1時, 受到橫流強烈影響, 噴流兩側只存在逆時針渦
漩; 2.1 < R < 37時, 受到橫流與噴流交互作用影響, 噴流背風側向上凹
分歧線完整成型, 順、逆時針渦漩同時出現於噴流兩側, 在R > 37時, 噴
流動量增加, 噴流柱背風側形成一個流體集中點。橫向垂直剖面依圓柱管
下游包覆區的發展可分為五種類型: 第一類型, 在R = 0.16於X/D =
-3.5, 包覆區內渦漩受到橫流流過圓柱管前端下洗的影響, 使得渦漩生成
變得不規律。第二類型, 在R = 2.1於X/D = -3.5, 包覆區內渦漩無受到
橫流下洗的影響, 使得渦漩逸放呈現左右交替規律生成, 左右渦漩交替出
現週期時間間隔為 Δt* = 4.36。第三類型, 在R = 8.5於X/D =-0.5, 靠
近圓柱管口加上橫流下洗的作用, 包覆區變小, 抑制渦漩生成, 無法被剪
切層帶往下游。第四類型, 在R = 26於X/D = 0, 橫流流過噴流, 混合噴
流流體, 反向渦漩同時產生。第五類型, 在R = 48於X/D = 4.5, 無包覆
區產生, 尾流道呈現S 形擺動。
水平圓柱管噴流進入靜止流體中觀測縱向垂直剖面(Z/d = 0)在Rej
= 350, 550, 730, 900。在Rej = 350時, 環境流體流動現象較不明顯,
只在靠近噴流剪切層附近有些微被帶動, 渦漩也會出現在剪切層附近。隨
著Rej增加, 環境流體被帶動情形也隨之明顯。由P.I.V 計算噴流柱在各
個Rej於X/d = 2, 4, 8, 12的位置, 軸向速度的分佈都呈現一致性的拋物
線型分佈, 隨著往下游的區域, X/d數值增加, 軸向中心最大速度也會隨
之下降。

The purpose of this research is to study the flow field structure at
different momentum flux ratios of a horizontal cylindrical tube jet
into a vertical crossflow, R. Experimental observations include a
vertical crossflow passing around a horizontal cylindrical tube (R =
0), interaction between a horizontal cylindrical tube jet and vertical
crossflow (R = 0.16 ∼ 48) and a horizontal cylindrical tube jet in
a stationary flow (R = ∞) by using flow visualization and Particle
Image Velocimeter (P.I.V) techniques. Crossflow is generated by a
vertical water tunnel with ReD = 250 ∼ 1080, based on the char-
acteristic length of the exterior diameter of a cylindrical tube. The
round jet has a range of Rej = 250 ∼ 2580, based on the character-
istic length of the interior diameter.
Experimental observations on crossflow passing around a cylindrical
tube includes transverse sections of X/D = -1.5, -2.5, -7.5. At X/D
= -1.5, there is a confined region of a reverse vortex pairs at the lee-
side of the cylindrical tube. Except for the confined region, stream-
lines and pathlines of the flow field are shown straight downward.
At X/D = -2.5, the confined region is affected by varied strength of
downwash crossflow and vortices are generated irregularly. Beneath
the covered region streamlines show S-shaped to swing. At X/D
= -7.5, eddy traveling frequency are generated periodically. Higher
ReD induces higher eddy traveling frequency.

Experimental observations on interaction between a horizontal cylindrical tube jet flow and vertical crossflow at different momentum flux
ratios include a vertical longitudinal (Z/D = 0) and several trans-
verse sections. The vertical longitudinal section of the flow field is
located at Z/D = 0. The curvature of jet trajectory gradually de-
creases the higher R. R = 2.1 seems to be a transition value of
crossflow domination and two momentum flows interaction. When
2.1 < R < 37, the bifurcation lines induce concave at the lee-side
of the jet. When R > 37, the bifurcation lines become a convergent
point. Transverse sections of flow field at the lee-side of cylindrical
tube can be divided into four groups. When R = 0.16 at X/D =
-3.5, the vortices in the confined region become irregular because
of downwash crossflow of various strength. When R = 2.1 at X/D
= -3.5, eddy traveling frequency is generated periodically and eddy
traveling cycle of non-dimensional time interval is Δt∗ = 4.36. When
R = 8.5 at X/D = -0.5, because of strong downwash crossflow and
close to cylindrical tube, the confined region becomes smaller and
vortices generation are suppressed. When R = 26 at X/D = 0, be-
cause crossflow passes a jet and mixes with the jet fluid, a pair of
counter rotation vortices are generated at the same time. When R
= 48 at X/D = 4.5, the confined region has not generated. Beneath
the jet streamlines show S-shaped to swing.
Experimental observations on a horizontal cylindrical tube jet in a
stationary flow include a vertical longitudinal section(Z/d = 0) for
Rej = 350, 550, 730, 900. At Rej = 350, the environmental fluid
close to the shear layer is slightly driven and vortices appear near
the shear layer. As Rej increases, environmental fluid is driven more
significantly. By P.I.V. calculation of velocity distribution in a jet
at X/d = 2, 4, 8, 12, the axial velocity shows consistent parabolic
distribution and the center maximum velocity decreases gradually
when the jet moves downstream.

目錄
中文摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
英文摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
致謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
符號索引. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
緒論                                                        1
1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 噴流進入靜止流體中. . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 橫流流經鈍體. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 噴流在橫流中的交互作用. . . . . . . . . . . . 5
3 論文探討內容與實驗參數. . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
橫流水洞實驗設備、儀器及方法                                  11
1 實驗觀測方法及儀器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1 流場可視化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 質點影像速度儀(P.I.V.) . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 流場可視化與P.I.V. 儀器配置. . . . . . . . . 12
1.4 流場觀測座標及平面. . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 雷射光頁配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 質點特性分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 橫流水洞實驗設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1 直立式橫流水洞. . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 噴流供應系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
垂直橫流經過圓柱管                                              17
1 實驗內容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 流場可視化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1 橫向垂直剖面X/D = -1.5 . . . . . . . . . . . 18
2.2 橫向垂直剖面X/D = -2.5 . . . . . . . . . . . 18
2.3 橫向垂直剖面X/D = -7.5 . . . . . . . . . . . 19
3 P.I.V. 瞬時流場分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 橫向垂直剖面X/D = -1.5 . . . . . . . . . . . 21
3.2 橫向垂直剖面X/D = -2.5 . . . . . . . . . . . 23
3.3 橫向垂直剖面X/D = -7.5 . . . . . . . . . . . 25
4 時間平均運動流場分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1 橫向垂直剖面X/D = -1.5 . . . . . . . . . . . 27
4.2 橫向垂直剖面X/D = -2.5 . . . . . . . . . . . 27
4.3 橫向垂直剖面X/D = -7.5 . . . . . . . . . . . 28
5 紊流強度分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1 之前的實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 本研究的實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . 30
6 小結. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
水平圓柱管噴流在橫流中的交互作用                                 33
1 實驗內容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 縱向垂直剖面分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1 流場可視化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 P.I.V. 瞬時流場分析. . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 時間平均運動流場分析. . . . . . . . . . . . . . 38
3 橫向垂直剖面分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 流場可視化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 P.I.V. 瞬時流場分析. . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 時間平均運動流場分析. . . . . . . . . . . . . . 51
4 縱向剖面的軌跡分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 噴流軌跡分析與文獻比較. . . . . . . . . . . . 55
5 小結與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1 縱向垂直剖面分析. . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2 橫向垂直剖面分析. . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 縱向剖面的軌跡分析. . . . . . . . . . . . . . . 57
水平圓柱管噴流進入靜止流體59
1 實驗內容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2 流場可視化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3 P.I.V. 瞬時流場分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 時間平均運動流場分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5 水平噴流柱軸向速度量化分析. . . . . . . . . . . . . . 64
6 小結. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
結論與建議                                                   65
1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2 建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
參考文獻                                                  69
作者簡歷                                                     297

                                

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