搖擺引致蕈狀渦漩(swing-induced mushroom

圖 3.16 為橫流雷諾數 Re_w=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.56 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2,500 fps，曝光時間為 1/10,000 sec。在噴流動能持續增強 情況下，噴流氣柱承受橫流衝擊能力亦相對提昇。此時發現噴流出口 處「噴流氣柱」之行為模態與之前論及的三種剪流層渦漩特徵流場明 顯不同。之前論及的三種剪流層渦漩特徵流場之噴流氣柱，自管口射 出後，受橫流衝擊影響會穩定的朝向下游橫向自由流區域偏折。然而 於圖 3.16 之連續影像，卻可發現噴流出口處之噴流氣柱會產生前後 週期性擺動。從 t^*=0∼0.897 期間，噴流出口處之噴流氣柱朝上游方 向擺動，t^*=1.196∼1.794 期間，則轉向下游方向擺動，t^*=2.093∼2.392 期間，則又擺向上游。於 t^*=1.196∼1.794 期間所形成之蕈狀凝序性 結構呈現頂部向上之型態，而於 t^*=2.093∼2.691 期間所形成之蕈狀 凝序性結構則向右翻轉呈現頂部向右之型態。另外值得注意的是，與 之前三種模式相較，搖擺引致蕈狀渦漩之凝序性結構形成之後較易破 碎分散，在x/d>4 之下游區域，凝序性結構已不明顯。

圖 3.17 將觀察區域縮小集中於噴流出口處之噴流氣柱本體。另 於續列影像右方以手繪模式描繪左側方形虛線選取影像之流體結 構，藉以清楚描述蕈狀渦漩之凝序性結構，如何由噴流氣柱搖擺引致 產生。於 t^*=0∼0.598 期間，噴流氣柱擺向左方，此時氣柱本體雖非 固體，但仍為流體凝聚之具體實物，此一氣柱擺向左方運動之現象，

於氣柱右方下游處，誘發形成一低壓區域。此時橫流持續衝擊氣柱，

造成氣柱頂部向右彎曲，結合氣柱右方下游低壓區之誘導與氣柱頂部 向右偏折兩種運動機制，因而於氣柱右方下游低壓處引致形成一順時 鐘旋轉渦漩，其衍化過程如圖 3.17(a)至(c)所示。於 t^*=0.897∼1.495 期間，噴流氣柱轉折擺向右方，此一向右擺動現象造成噴流上方邊界 層沿z 方向產生負速度梯度，因而引致反時鐘方向旋轉之渦漩，其衍 化過程如圖 3.17(d)-(f)所示。由於噴流氣柱不斷前後快速搖擺，因此 引致順、逆轉之渦漩於管口噴流上下游處交替接續產生，並結合形成 蕈狀渦漩之凝序性結構形。因此將此類型流場特徴模式定義為「搖擺 引致蕈狀渦漩」(swing-induced mushroom vortices)。

誘發氣柱前後搖擺運動之物理機制，大致可推論為近管口噴流 偏折區域，噴流受剪切作用影響與橫流衝擊影響彼此間之平衡作用因 素。於本研究控制參數範圍內流場所形成之剪流層凝序性結構，源自 於較低噴流對應橫流之動量通量比條件下管口附近之剪流層，如圖 3.1、圖 3.6、圖 3.11 所示。此時噴流與橫流動能差異較大且偏折現象 明顯，相對所形成之剪切作用影響大於橫流衝擊氣柱之影響。但當噴 流對應橫流之動量通量比值漸增時，此時噴流與橫流動能差異減小且 偏折現象減緩，相對所形成橫流衝擊氣柱之影響逐漸增加而剪切作用 影響則相對降低。當噴流對應橫流之動量通量比值持續增高至一臨界 值時，剪切作用與橫流衝擊作用趨近平衡。如噴流對應橫流之動量通 量比超過此臨界值時，將造成管口附近氣柱前後之非穩定搖擺運動。

圖 3.18 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3.18(a)與 3.18(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。由於「搖擺引致蕈狀渦漩」所形成之凝序性結構近 似於「向後滾轉引致渦漩」所形成之凝序性結構，因此圖3.18(c)至(e) 之速度分佈也具有類似於圖 3.7(c)至(e) 之速度分佈，但經比較可發 現「搖擺引致蕈狀渦漩」之速度梯度較為明顯。

圖 3.19 為橫流雷諾數 Re_w=2,872，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.56 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 Re_w=2,051 升高為 Re_w=2,872，但在 動量通量比維持不變情況下，仍可由流場觀察照片圖 3.19(a)、(b)發 現其流場結構與輪廓與之前橫流雷諾數Re_w=2,051 條件下極為近似，

圖3.19(c)、(d)、(e)亦呈現相似之速度梯度變化。

圖 3.20 為橫流雷諾數 Rew=3,692，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.56 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。此時再度將橫流雷諾數由原先 Re_w=2,051 升高為 Re_w=3,692，同 樣的由流場觀察照片圖 3.20(a)、(b)發現其流場結構與輪廓與之前橫 流雷諾數 Re_w=2,051 條件下亦極為近似，圖 3.20(c)、(d)、(e)亦呈現 相似之速度梯度變化。

圖 3.21 為橫流雷諾數 Re_w=2,051，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.56 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 3.21(a)與 3.21(b)為通過「搖擺引致蕈狀渦漩」區域之水平剖 面影像。此時並未發現明顯的旋轉凝序性結構，其原因為「搖擺引致

蕈狀渦漩」凝序性結構於x/d>3 之區域已快速消散不易發現。往下移 動觀察水平剖面，如圖 3.21(c)、(d)、(e)所示，其流場結構則近似於 圖3.15 對應位置之流場結構。