文獻回

自1950 年代開始，英國航空工業致力於垂直短場起降(V/STOL) 戰機研製，許多學者開始關注形成推進動力之噴流受橫風環境影響 下，噴流軌跡與分佈的情形。早期Jordinson [2]曾利用皮托管量測繪 製等值最高壓力線的方法，在不同孔徑與噴流對應橫流之速度比 r=4, 6, 8,之條件下，建立噴流軌跡分佈之情形。並歸納發現噴流軌跡主要 由噴流對應橫流之速度比值所主導，同時藉水平橫剖面等值壓力圖，

觀察發現橫流繞過噴流周圍所形成之馬蹄形結構。Epshtein [3]與 Shandorov [4]則分別在忽略黏性摩擦力與簡化流場之條件下，以數值

解析的方式計算出噴流中心軌跡分佈情形。Pratte 與 Baines [5]利用積 分動量方程式配合因次分析，針對在r>1 的條件下，建立以 rd (d:噴 流直徑) 為正規化參數之噴流軌跡數學關係式: (x/rd)=2.05(z/rd)^0.28。 Patrick [6]與 Chassaing [7]等人則分別以不同實驗方式，歸納整理出類 似之噴流軌跡數學關係式。Muppidi 與 Mahesh [8]另以直接數值模擬 (direct numerical simulations)求解 Navier-Stokes 方程式的方法進行噴 流軌跡與近管口附近流場之研究，其結果證明出口速度分佈與橫流邊 所形成之「反向對稱旋轉渦漩」(counter-rotating vortex pair, CVP)，

在速度比值 r>1 情況下被認為是流場中最主要之渦漩結構。Fearn 與 配合簡化後之Reynolds stress model 在忽略壁面邊界效應條件下，利 用數值模擬計算結果呈現出不同下游位置CVP 之腎形結構。

於噴流氣柱後方所形成尾渦漩(wake vortices)之相關研究包含有 (Strouhal number, 定義 St≣fd/u_w)，其對應值分別為 0.093 與 0.083。

此结果與典型Roshko [16]所提出當流體雷諾數介於 10³至10⁵所謂次 臨界區域(subcritical regime)時，流體流經圓柱體將產生 St≈0.21 之固 定Kármán 渦漩逸放頻率並不相同。Mcmahon 認為造成史卓荷數差異 之主要原因在於受衝擊變形後之噴流氣柱本身直徑估算認定之問 題。Kelso 與 Smit [17]與 Andreopoulos [18]由其實驗結果認為噴流氣 柱後方渦漩逸放之現象通常僅發生於高速度比值條件下，在低速度比 值情況下則無法測得穩定一致之固定頻率。Kelso 同時發現在速度比 值r=4 之情況下，由噴流上游所發展之馬蹄形渦漩結構會與噴流後方 所形成之渦漩結構發生偶合現象。Krothapalli 與 Lourenco [19]曾針對 矩形噴流上游分離流與噴流尾流區域相互間之關係進行研究，其實驗 結果發現在噴流上游迴流區域可偵測到與下游渦漩逸放相同的頻 率，因此認為二者存在相互影響之關係。同時依據其實驗結果，

Krothapalli 與 Lourenco 認為僅有在速度比值 r>5 時，始產生渦漩逸放 現象，在速度比值1<r<5 時，於尾流附近區域將形成對稱封閉之渦漩 對(vortex pair)結構。Moussa [20]等人曾利用三維熱線風速儀針對凸出 壁面圓管噴流之流場結構進行不同雷諾數與速度比值之量測實驗。其

實驗結果證明噴流出口之初始條件對捲入掺混(entrainment)作用與噴 流發展有極大之影響；另證明噴流射入橫流環境之流場為極複雜之三 維結構，並建議計算模擬不應採用二維模式。在噴流氣柱渦漩逸放問 題方面則提出史卓荷數值大小與雷諾數及動量比值並無明顯關係之 證明，但由其實驗數據卻可發現噴流氣柱渦漩逸放現象「產生之條件」

決定於雷諾數範圍及速度比值大小。歸納以上所述得知橫向自由流衝 擊噴流氣柱之行為雖有些類似流體流經固體圓柱之情形，但因氣柱受 衝擊時會產生偏折順從與捲入掺混之行為，所以其渦漩逸放之行為與 流體流經固體圓柱之情形並不完全相同。

Fric [1]與 Kelso [21]等人曾分別運用不同流場觀察技術辨識出類 似龍捲風型式之直立式渦漩(upright vortex)結構，並由流場觀察結果 將此尾渦漩結構產生之過程描述如下:橫流流經噴流氣柱時，噴流氣 柱四週水平壁面所形成之反向壓力梯度，誘發噴流兩側水平壁面流體 發生捲曲分離情形。此分離捲曲之結構逐漸抬起向上直立發展，最後 形成於噴流氣柱左右兩側交替產生之直立式渦漩結構。

以不同噴流孔徑形狀與噴流入射角度為探討主題之研究已有多 位學者[22-26]曾深入探討，其中 New [22]等人針對不同長寬比(aspect ratio)橢圓形孔徑以流場觀察方法，詳細分析了 CVP 之結構與衍化過 程。Wu [23]等人則以非對稱噴孔形狀噴流所形成之渦漩結構為主題 進行分析探討。Liscinsky 與 True [24]採用六種不同管口形狀，針對 濃度與紊流強度分佈進行分析研究，其結論為在相同管口面積條件 下，不同管口形狀對平均濃度分佈與紊流混合效應影響不大。Tyagi

與Acharya [25]則以 LES(Large Eddy Simulations)數值模擬方法針對 (Laser-Doppler Anemometry, LDA)，始揭開非侵入式流場速度量測時 代的序幕。在過去已有多位學者[28-33]運用 LDA 進行噴流射入橫流

在探討燃料射入橫流環境燃燒議題方面，Huang 與 Wang [30]利 用流場觀察配合 LDA 平均流場量測，基於不同噴流對應橫流之動量 通量比條件下，分別將五種不同特徵流場予以確認。同時發現於噴流 尾流區所量測之紊流強度大於圓管後方尾流區域所測之紊流強度。同 樣針對燃燒議題方面 Tsue 與 Kadota [31]認為速度比值 r 為影響燃料 混合效應之主要因子，同時利用量測所得之溫度分佈、CO₂分佈與可 視火焰長度(visible flame length)說明不同速度比值對增進混合效果之 影響。Broadwell 與 Breidenthal [34]由其實驗結果提出當速度比值 r≈16.6 時，在不同空氣燃料比條件下皆可獲得最短之可視火焰長度，

並認為在此速度比條件下噴流燃料與空氣混合速率最快。另外Huang 與 Chang [35]在噴流射入橫流燃燒環境中，利用紋影術(Schlieren technique)呈現出噴流剪流層之凝序性結構(coherent structure)，同時 利用熱線風速儀驗證此凝序性結構具有週期性之頻率特性。

爲了避免侵入式流場量測技術產生之干擾與誤差，並克服 LDA 僅 侷 限 單 點 速 度 量 測 之 限 制 ， 質 點 影 像 測 速 儀(Particle Image Velocimetry, PIV)適時被發展出來，並且在 1990 年代中期漸趨成熟。

該技術具備了流場瞬時全場量測的能力，因此是診測全域流場運動最 適宜的方法。近年來已有多位學者[36-40]運用該項技術進行相關研 究，Meyer [36]等人同時採用 LDA 與 PIV 針對噴流射入橫流環境之 流場進行量測，並比對兩種量測數值之差異性。其結果顯示在平均流 場速度方面可獲得不錯的一致性，但在紊流強度方面，位於強烈紊流 區域LDA 量測紊流強度數值一般皆略高於 PIV 量測所得數值。Meyer

認為其差異源自LDA 之光學量測體積(measuring volume)遠小於 PIV 所需量測體積之故。Su [37-39]等人爲了同時進行流場瞬時速度與濃 度的量測，因此同時採用了 PIV 與平面雷射誘導螢光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技術進行量測。Su 與 Mungal [37,38]藉由 實驗數據詳細描述了於不同位置平面之濃度分佈與速度分佈，並認為 噴流出口速度分佈條件對混合作用之影響性，較速度比值與噴口位置 更為重要。Pan 與 Meng [39]藉由其實驗分析數據提出位於噴流上游 與噴流邊界層上方之混合作用主要由大尺度渦漩結構所主導，而位於 噴流下游與噴流邊界層下方之混合作用則由小尺度渦漩結構所主導。

在煙囪排放煙流環保議題方面Bournot [40]等人曾針對不同煙囪 高度與速度比條件以流場觀察配合PIV 量測，評估排放煙流受橫風影 響之程度。其結果顯示較短煙囪所排放之煙流易受煙囪與地面之交互 影響，煙流擴散面積較大且煙流觸地之情形也較易發生。Eiff [41, 42]

等人探討煙囪管口附近尾流問題中發現，當橫流通過管口時如果噴流 關閉，此時將形成管口流(tip flow)之三維效應與下洗作用，此效應作 用會抑制圓管後方渦漩逸放情形。但當噴流開始射出時可有效消除管 口 流 之 下 洗 作 用 ， 並 可 在 管 口 附 近 偵 測 出 渦 漩 逸 放 頻 率 。 Andreopoulos [43, 44] 曾 在 風 洞 環 境 中 製 造 人 工 非 均 勻 橫 流 (non-uniform crossflow)，藉以探討非穩定邊界層與速度分佈對冷卻塔 煙流(cooling tower plumes)擴散作用之影響。

當噴流出口速度分佈對噴流射入橫流流場之影響性逐漸受到重 視之際，Andreopoulos 與 Rodi [45, 46]首度進行管內流場特性之探討

研究。其結果顯示近出口端之管內流場速度並非均勻分佈且亦無法形 成完全發展流(fully-developed flow)，尤其在低速度比情況下管內流 場受橫流影響範圍可深達三倍以上管口直徑之距離，同時認為管口內 部之速度分佈與邊界層厚度對整體噴流發展具有極大之影響性。

Peterson 與 Plesniak [47]則利用 PIV 量測技術深入探討短孔(short hole) 噴流孔內流場分佈情形與其對流場之影響性，其實驗發現孔內水平剖 面亦有類似CVP 之流場結構，且與外部流場之 CVP 彼此有交互影響 性。