第五章 紊流特性分析
5.2 水平剖面紊流特性分析
5.2.4 x-y 平面紊流動能分析
整合x 方向與 y 方向所得紊流強度資訊，代入(5-7)公式可獲得 x-y 平面紊流動能TKxy之大小。圖 5.20 為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對 應橫流之動量通量比 R=0.08 條件下，於不同水平剖面，結合平均流 線分佈與x-y 平面紊流動能 TKxy分析之複合圖。其中標示數字代表紊 流動能值乘以 100 後之數值。圖 5.20(a)與圖 5.20(b)水平剖面量測位 置分別為z/d=0.5 與 z/d=0.1，剖面通過區域分別為噴流上下邊界層。
此時由於噴流對應橫流之動量通量比甚小，橫流通過噴流時所造成的 整體擾動量有限，且擾動量主要出現於受剪切作用影響最大的噴流上 邊界層中心軸線區域。所以紊流動能分佈主要分佈於噴流上邊界層中 心軸線區域，且快速消散於下游區域。圖5.20(c)與圖 5.20(d) 水平剖 面量測位置分別為 z/d=-2.0 與 z/d=-9.0，通過區域同為圓管尾流區，
兩者平均流線皆於尾流區形成迴流泡結構。其中圖5.20(c)尾流區並未 發生Kármán 渦漩逸放情形，所形成的是穩定迴流泡結構。而圖 5.20(d) 尾流區有 Kármán 渦漩逸放情形發生，所形成的是非穩定迴流泡結
構，此時在迴流泡結構下游將持續交替產生Kármán 渦漩，形成所謂 Kármán 渦街，並於 Kármán 渦街產生較高之速度擾動量。圖 5.20(c) 與圖5.20(d)顯示主要紊流動能(TKxy×100>2)分佈區域由管口兩側向後 延伸至迴流泡交會鞍點處附近，並持續擴散至下游較遠處。紊流動能 最高峰值出現在迴流泡交會鞍點兩側，其中又以圖 5.20(d)產生 Kármán 渦漩逸放情形之紊流動能峰值較高。
圖 5.21 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，於不同水平剖面，結合平均流線分佈與 x-y 平面紊流 動能 TKxy分析之複合圖，由於圖 5.21(a)至圖 5.21(d)水平剖面量測通 過區域流場型態類似圖 5.20(a)至圖 5.20(d)，所以紊流動能分佈情形 亦與其非常相似。其中圖 5.21(a)與 5.21(b)顯示由於噴流動能增加，
橫流通過噴流造成速度擾動較大，所以主要紊流動能(TKxy×100>2)分 佈之範圍略大於圖 5.20(a)與 5.20(b)。
圖 5.22 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，於不同水平剖面，結合平均流線分佈與 x-y 平面紊流 動能TKxy分析之複合圖。由於圖5.22(a)、(b)、(d)、(e)水平剖面量測 通過區域流場型態類似圖 5.21(a)至圖 5.21(d)，所以紊流動能分佈情 形亦與其非常相似。圖5.22(c)水平剖面量測位置為 z/d=0.25，通過區 域為噴流尾流區。由於此時噴流動能增強，噴流氣柱抵抗橫流衝擊能 力增加，橫流通過噴流氣柱時將於噴流尾流區形成迴流泡結構，並相 對造成流場較大擾動量。此時紊流動能峰值主要分佈於噴流氣柱兩側 與迴流泡交會鞍點處兩側。
圖 5.23 為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.56 條件下，於不同水平剖面，結合平均流線分佈與 x-y 平面紊流 動能 TKxy分析之複合圖。由於圖 5.23(a)至圖 5.23(e)水平剖面量測通 過區域流場型態類似圖 5.22(a)至圖 5.22(e)，所以紊流動能分佈情形 亦與其非常相似。其中圖5.23(a)由於水平剖面量測區域僅通過蕈狀渦 漩上緣，所以未呈現明顯紊流動能。
圖 5.24 為橫流雷諾數 Rew=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=1.26 條件下，於不同水平剖面，結合平均流線分佈與 x-y 平面紊流 動能 TKxy分析之複合圖。圖 5.24(a)水平剖面量測位置為 z/d=3.0，剖 面通過區域為偏折後之噴流下邊界層區域。此時噴流射出動能極高，
噴流在完成偏折後產生劇烈擾動，所以紊流動能亦隨之增強，其最高 峰值可達13。圖 5.24(b)水平剖面量測位置為 z/d=1.0，剖面通過區域 為噴流尾流區，流場型態類似圖 5.23(c)。此時由於噴流動能大於橫流 動能，氣柱強度更強，而於噴流尾流區所形成之迴流泡更為明顯且涵 蓋範圍大於圖5.23(c)。所以主要紊流動能(TKxy×100>2)分佈範圍較廣 且強度較強，其最大紊流動能峰值升高為 16。圖 5.24(c)至圖 5.24(d) 水平剖面量測通過區域流場型態類似圖 5.23(d)至圖 5.23(e)，所以紊 流動能分佈情形亦與其非常相似。
5.3 小結
在垂直剖面紊流特性分析方面，受剪切作用主導範圍內(R<0.49) 之渦漩特徴流場，包含有「混合層式渦漩」、「向後滾轉渦漩」、「向 前滾轉渦漩」，其主要紊流動能峰值分佈於噴流迎風處與噴流偏折區 上邊界層渦漩通過地帶。其中噴流迎風處因直接承受橫流衝擊所以有 較大之速度擾動值，而噴流偏折區上邊界層為渦漩形成發展之主要地 帶所以形成另一高擾動區域。當噴流動能逐漸增加，進入「搖擺引致 渦漩」主導之渦漩特徴流場範圍時(0.49<R<1.01)。主要紊流動能峰值 逐漸轉移至噴流偏折下邊界層區域，此區域為搖擺擾動最強區域，所 以紊流動能亦明顯增強，且影響範圍增大。顯示噴流氣柱搖擺運動影 響效應已超越剪切作用效應。
在水平剖面紊流特性分析方面，噴流尾流區之紊流動能隨噴流 對應橫流之動量通量比值增加而增強，其代表支撐性愈強之噴流氣 柱，於噴流尾流區所形成之紊流強度愈高。近管口尾流區對稱穩定迴 流泡交會衝擊所形成之紊流動能，遠小於圓管尾流區由 Kármán 渦漩 逸放現象所引發之紊流動能。