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第三章 結果與討論

3.2 孔隙間流場

孔隙間流場的測量,是本研究使用同折射率物質技術主要的考量。如果不是 使用同折射率物質則圖 3-10 中 y = 0.55cm(6/16D),壓克力球與球之間的流場則 無法測量。

以下以 Exp01 的測量結果為例展現在不同切頁上的流速。以下各圖中,底下 白色區域為去除底下波浪板反光造成干擾流速的區域,會比實際面積來的大,故 與壓克力球會有部份重疊。圖 3-11 與圖 3-12 為實測流場搭配第二章所提的網格細 化方法。

圖 3-11 Exp01 孔隙間不同 xz 切頁 x 方向的流速(以向下游為正)

圖 3-12 Exp01 孔隙間不同 xz 切頁 z 方向的流速(以向上為正)

利用圖 3-11 中的數據,可將資料再重新編排並細化網格,得到圖 3-13,利用 圖 3-12 中的數據,可將資料再重新編排並細化網格,得到圖 3-14。詳細的方法請 參閱第二章的網格細化方法。

圖 3-13 Exp01 孔隙間不同 yz 切頁 x 方向的流速(以向下游為正)

圖 3-14 Exp01 孔隙間不同 xy 切頁 z 方向的流速(以向上為正)

從上述的步驟中可以發現,流速會受到周圍壓克力幾何形狀影響,例如:遇到迎 面遇到壓克力球時,會從四周繞開。為了描述孔隙間巨觀流向,因此定義空間週 期平均流速如下:

以空間結構來說,x、y 方向一個週期為一倍顆粒直徑,z 方向一個週期為T =√22 D 。

各實驗所測到的空間週期平均流場如下,附上對間對應對照圖與搭配自由液面流 16 個斷面的平均流場一起顯示:

Exp01

圖 3-16 Exp01 空間週期平均流場(箭頭長度代表[V]大小)

從空間週期平均流場可以發現,液體在孔隙介質間的流場,受到自由液面流

y = 0.05cm(1/16D)

的影響相當明顯。其中約在 x = 6~8cm 處,自由液面的液體會注入補充孔隙間,

且此分流會分成兩部份,其中一股在孔隙間往上游移動,而另一股往下游。

往上游移動的液體,則會在 x =2~4cm 間,重新回到自由液面流內,形成一 個循環的結構。往下游移動的液體,則會在 x =10cm 開始重新回到自由液面流內,

繼續往下游移動。

Exp02

圖 3-17 Exp02 空間週期平均流場(箭頭長度代表[V]大小)

與 Exp01 組的流場相似,在孔隙介質內,x = 2~6 cm 處之間同樣存在一循環 的結構,液體從自由液面流補注到孔隙介質流中,往上游移動再返回自由液面流

y = 0.05cm(1/16D)

之中。

另外值得注意的是,雖然 Exp02 與 Exp01 相比的波形振幅較大,且波長較短,

但孔隙間向下的空間週期流速卻比較小。

Exp03

圖 3-18 Exp03 空間週期平均流場(箭頭長度代表[V]大小)

與前兩組實驗不同,Exp03 的流況為流量較小,Fr 較低,波長較短,主要目的為 觀察流況隨 x 方向前進後的變化。在圖中可以看到 x 在 4cm、10cm、16cm 附近都

y = 0.05cm(1/16D)

有往下層注入流速的區域,且 x 越大此區域面積也越大。另外可以發現,孔隙間 的流場大致都為向下游移動,在 Exp01 與 Exp02 中所觀測到的循環結構,僅在 x

= 8~9cm 有一小區塊。

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