第三章 剪流層非穩態渦漩衍化特性與動力機制
3.1 流場特徴模式
3.1.3 向前滾轉渦漩(forward-rolling vortices)…
圖3.11(a)為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.37 條件下，於圓管中心垂直剖面之高速攝影連續影像。影像擷 取速率為3,000 fps，曝光時間為 1/10,000 sec。在 t*=0 時，圓環標示 之捲曲狀渦漩從圓管出口開始衍化並接著轉向橫向自由流區域。渦漩 衍化過程中，頂部渦漩結構似乎始終保持順時方向旋轉。在此動量通 量比條件下，當噴流剪流層轉向橫向自由流方向時，頂部渦漩結構並 未如「向後滾轉渦漩」般改變其旋轉方向。其原因為此時噴流動能較
「向後滾轉渦漩」噴流動能高且噴流氣柱在被橫流衝擊偏折前舉升之 高度亦較高，當橫流衝擊噴流氣柱剪流層時，造成蕈狀之凝序性結構 向上游方向傾倒。在蕈狀凝序性結構頂部朝向上游之情況下，上方渦 漩保持以順時鐘方向旋轉，而下方之渦漩則以反時鐘方向旋轉。在超 過 x/d>5.5 之下游區域，只有順時鐘方向旋轉渦漩較為明顯，因此將 此 類 型 流 場 特 徴 模 式 定 義 為 「 向 前 滾 轉 渦 漩 」(forward-rolling
vortices)。圖 3.11(b)為手繪「向前滾轉渦漩」結構空間衍化示意圖。
源自管口附近的波浪結構，於 x/d≈2.5 位置完成順時鐘旋轉渦漩結 構，同時亦形成向左傾倒之蕈狀凝序性結構，而頂部渦漩結構始終保 持向前滾轉型式，直到下游潰散消失為止。
圖 3.12 為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.37 條件下，於噴流剪切作用影響範圍沿 z 方向量測之速度分佈結 果。圖3.12(a)與 3.12(b)分別為瞬時曝光(1/10,000 sec)與長時曝光(1/30 sec)之流場照片。圖 3.12(c)、(d)、(e)分別代表離管口不同距離位置，
於噴流剪切作用影響範圍，沿z 方向量測之速度分佈結果。由圖 3.12(c) 可發現不同於圖 3.7(c)，於噴流上邊界層處出現一速度梯度轉折現 象，此現象於 3.12(d)更趨明顯。此時於噴流上邊界層上方區域沿 z 方向之速度梯度呈現正速度梯度(∂ū/∂z>0)，因而誘發形成順時鐘旋轉 之渦漩。而於上邊界層下方區域沿z 方向速度梯度則呈現負速度梯度 (∂ū/∂z<0)，相對誘發形成反時鐘旋轉之渦漩。此型態之速度梯度分佈 可與形成蕈狀凝序性結構朝上游方向傾倒之現象得到相互映證。而距 管口較遠下游位置，速度梯度漸趨和緩，渦漩結構亦較不明顯，並於 x/d>6 下游處逐漸消散。
圖 3.13 為橫流雷諾數 Rew=2,872，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.37 條件下，於噴流剪切作用影響範圍沿 z 方向量測之速度分佈結 果。此時雖將橫流雷諾數由原先 Rew=2,051 升高為 Rew=2,872，但在 動量通量比維持不變情況下，由流場觀察照片圖 3.13(a)、(b)發現其 流場結構與輪廓與之前橫流雷諾數 Rew=2,051 條件下極為近似。圖
3.13(c)、(d)、(e)亦呈現於噴流上邊界層上方區域，沿 z 方向速度梯度
∂ū/∂z>0，於邊界層下方區域沿 z 方向速度梯度∂ū/∂z<0 之趨勢。不同 之處為此時邊界層速度梯度延續範圍較長，圖3.13(e)，x/d=6 之下游 區域，於噴流上邊界層亦可發現此型態之速度梯度分佈。
圖 3.14 為橫流雷諾數 Rew=3,692，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.37 條件下，於噴流剪切作用影響範圍沿 z 方向量測之速度分佈結 果。此時在維持動量通量比R=0.37 條件下，持續將橫流雷諾數升高，
結果仍呈現與圖 3.12 與圖 3.13 類似的流場結構與輪廓，且沿 z 方向 速度梯度變化情形也非常相近。
圖 3.15 為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.37 條件下，分別於不同 z/d 位置之水平剖面瞬時曝光流場觀察照 片。圖 3.15(a)為 z/d=1.8，通過上剪流層渦漩結構之水平剖面照片(相 當於通過圖 3.11 噴流剪流層順時鐘旋轉渦漩區域)。圖 3.15(b)為 z/d=1.4，通過下剪流層之水平剖面照片，在其左右對稱邊界層產生類 似向前延伸分支之渦漩結構。當橫切剖面通過噴流尾流區時，如圖 3.15(c)所示。此時原先出現於左右兩側剪流層之凝序性結構已經消 失，而於噴流尾流下游也並未發現Kármán 渦漩逸放現象。管口下方 近管口尾流區與遠離管口尾流區之水平剖面照片，分別如圖 3.15(d) 與3.15(e)所示，其流場結構型態則與「向後滾轉渦漩」流場相同類型 尾流區域相同。