向後滾轉渦漩(backward-rolling vortices)

圖 3.6(a)為橫流雷諾數 Re_w=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.21 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以順時鐘方向旋轉，此渦漩結構 類似圖3.1(a)之渦漩結構。當 t^*=1.53 時，捲曲狀渦漩向下游移動一短 距離並逐漸遠離圓管出口上方位置。當 t^*=3.06 時，噴流主體受橫流 衝擊影響彎曲轉向橫流自由流流動方向，而渦漩結構頂部亦旋轉朝向 右上方。此時所形成之凝序性結構類似蕈類(mushroom)形狀，蕈狀右 側結構以順時鐘方向旋轉，左方結構則以反時鐘方向旋轉。而事實上 右側順時鐘方向旋轉結構為接續 t^*=1.53 時之順時旋轉渦漩結構，蕈 狀左側反時鐘方向旋轉結構之形成原因為橫流與噴流上邊界層間，朝 z 方向所形成之負速度梯度與其產生之剪切作用力所致。此時噴流對 應橫流之動量通量比仍非常小，而能在噴流邊界層上方形成負速度梯 度之主因為噴流主體舉升至足夠高度後受橫流衝擊力衝擊，快速轉向

右方之扭轉運動所形成。t^*=0.459，t^*=0.612，t^*=0.765 與 t^*=0.918 之 影像顯示凝序性結構持續隨時間衍化之過程，位於下游區域蕈狀之凝 序性結構向右傾倒，蕈狀頂部此時朝向下游方向，此時只有反時鐘旋 轉方向之渦漩可以辨識。因此將此類型流場特徴模式定義為「向後滾 轉渦漩」(backward-rolling vortices)。圖 3.6(b)為手繪「向後滾轉渦漩」

結構空間衍化示意圖，對照圖3.6(a) t^*=0，當 x/d>2 時，噴流邊界層 頂部渦漩已被反時鐘旋轉渦漩所取代，且蕈狀凝序性結構已衍化成型 並向下游處偏折。原先出現於管口附近之順時鐘旋轉渦漩，已衍化移 至右傾蕈狀凝序性結構下方位置，並快速消散於下游地帶。

圖 3.7 為橫流雷諾數 Re_w=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.21 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 3.7(a)與 3.7(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 3.7(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 3.7(c) 發現位於噴流上邊界層上方區域，沿z 方向速度梯度呈現明顯負速度 梯度變化(∂ū/∂z<0)，因而誘發形成反時鐘旋轉之渦漩。而於上邊界層 下方區域沿z 方向速度梯度則呈現明顯正速度梯度變化(∂ū/∂z>0)，相 對誘發形成順時鐘旋轉之渦漩。此類型之速度梯度分佈即構成蕈狀凝 序性結構頂部朝向下游方向之主要原因。距管口較遠下游位置，速度 梯度呈現漸趨和緩趨勢，此區域之渦漩結構亦較不明顯，並於 x/d>6 下游處逐漸消散。

圖 3.8 為橫流雷諾數 Re_w=2,872，噴流對應橫流之動量通量比

R=0.21 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，但由 流場觀察照片圖3.8(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 3.8(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，於上邊界層下方區域沿 z 方向速度梯度∂ū/∂z>0 之相同速度分佈。

圖 3.9 為橫流雷諾數 Re_w=3,692，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.21 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。此時在維持噴流對應橫流之動量通量比 R=0.21 條件下，持續將 橫流雷諾數升高，此時仍呈現與圖3.7 與圖 3.8 相同的流場結構與輪 廓，且沿z 方向速度梯度變化情形也幾乎完全相同。

圖 3.10 為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.21 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 3.10(a)為 z/d=1.1，通過上剪流層渦漩結構之水平剖面照片。

在中心軸線兩側對稱位置可發現類似圖3.9 上剪流層之反時鐘旋轉渦 漩結構，且波數與圖3.9 垂直剖面上剪流層之捲曲渦漩數相同，因此 可證明其噴流剪流層渦漩亦具有三維結構。圖 3.10(b)為 z/d=0.5，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後旋轉 分支延伸渦漩結構。由於圖 3.10(a)與圖 3.10(b)彼此渦漩旋轉方向相 反，因此推論位於上下層分支渦漩間應存在一扭曲反轉點(twisting point)，經過此扭曲反轉點，渦漩將改變其旋轉方向。當橫切剖面通 過噴流尾流區時，如圖3.10(c)所示，此時原先出現於左右兩側剪流層

之凝序性結構顯得較不明顯，而於噴流尾流下游處並未發現 Kármán 渦漩逸放現象。圖 3.10(d) 之橫切剖面位於管口下方 z/d=-1.0 位置，

此時圓管尾流受横流下洗作用影響，煙霧在圓管尾流區形成一穩定迴 流泡，而圓管下游區域並未發現Kármán 渦漩逸放現象。此時將水平 剖面流場觀察區域移至管口下方較遠處(z/d=-8.0)，尾流區已遠離管口 三維效應影響區域，穩定迴流泡區域因而消失，取而代之的是橫流通 過圓管所形成之Kármán 渦漩逸放現象，如圖 3.10(e)所示。