模型下游渦流溢放實驗 壹、三維圓柱模型渦流溢放實驗

圓柱模型下游渦流溢放的實驗以一維的移動機構配合熱線測速儀進行量測，所用之圓柱為 直徑 D=150mm 寬高比為 1：8 之模型，模型位置為第一測試區第一迴轉盤位置，熱線架設的 位置在圓柱下游 1.5D 側方向距離圓柱 3D 的位置（如圖 3-27 所示）。實驗位置選擇是根據之 前油流實驗所得到的結果決定在尾流區域的外側邊緣，本實驗使用一維移動機構由離地面 0.13D 開始量測，量測高度分別為 0.13D 至 9.3D 高度之間，熱線測速儀的取樣速度為 512HZ，

取樣點數為 16384 個點。量測時使用二維探針，故可以同時量取 U（X 方向速度）V（Y 方向 上速度），或者是 U（X 方向速度）及 W（Z 方向速度），並使用二個不同風速其雷諾數分別為 1.06×10⁵及 1.63×10⁵。

圖 3-27 模型下游渦流溢放實驗架設示意圖

圖 3-28 為雷諾數 1.06×10⁵時平均速度的結果，由圖上顯示出流場主流向上速度在近地面 時候受邊界層影響速度較慢，離開邊界層影響後，U 方向的速度都維持約 10m/s。V 流向的風 速隨高度先呈現遞增，至 1.33D 時開始遞減，在高度 4D 處速度最小，整體而論其 V 流向的速 度都非常小。圖.3-29 為為雷諾數 1.06×10⁵時 U 方向及 V 方向的部分高度瞬時速度，由圖上 看出速度分佈 V 流向的速度震盪比 U 流向大。

圖 3-28 Re=1.06×10⁵模型下游平均速度分佈結果

第三章實驗結果與討論

圖 3-29 Re=1.06×10⁵模型下游 U 流向及 V 流向瞬時速度結果

圖 3-30 為雷諾數 1.63×10⁵時 U 流向、V 流向與 W 流向的平均速度相對於量測高度關係圖。

由圖上可看出在 U 流向的速度趨勢與之前較低雷諾數時相似，在靠近頂部時因受到上升的影 響，主流向的速度會較低，直到與自由流場速度相等。圖 3-31 為雷諾數 1.63×10⁵時 U 方向及 V 方向的部分高度瞬時速度結果，由圖上可以看出在超過圓柱一半的高度(Z=0.6m)以上至接 近圓柱高度（Z=1m）瞬時速度的結果除了低頻擾動的現象外，高頻擾動的訊號也增多。圖 3-32 為雷諾數 1.63×10⁵時 U 方向及 W 方向的部分高度瞬時速度結果，同樣的在量測位置高度 600mm 至 1000mm 之間存在較多高頻擾動訊號。

圖 3-30 Re=1.63×10⁵模型下游平均速度分佈結果

第三章實驗結果與討論

圖 3-31 Re=1.63×10⁵模型下游 U 流向及 V 流向瞬時速度結果

圖 3-32 Re=1.63×10⁵模型下游 U 流向及 W 流向瞬時速度結果

第三章實驗結果與討論

圖3-33 為雷諾數1.63×10⁵時量測高度在0.13D 至3.33D 在U 方向的快速傅立葉轉換(FFT) 頻普分析結果，由這六個結果並無法很清楚的看出渦流溢放的的頻率，除了 Z=2.67D 有較明 顯的主頻外，其餘圖上皆有許多能量很強的頻率訊號。圖 3-34 與圖 3-35 有相同的雷諾數，

而其量測高度為 Z=4D 至 9.33D，由結果來看在 z=4D 至 6D 約在 16HZ 附近的訊號是較為明顯，

可能為溢放訊號，在高度更高的位置其溢放訊號並不明顯，特別是高度超過 8D(模型高度)後。

Ayoub 及 Karamcheti[21]在文章中也曾經提到過三維圓柱的渦流溢放頻率會因為離地面高度 (span-wise)不同而有所不同，特別是在頂部的位置是最小的，這可以解釋在量測位置超過圓 柱高度之 Z=8.67D 與 9.33D 時並無明顯的溢放訊號。

圖 3-33 Re=1.63×10⁵模型下游 U 流向 Z＝0.13D 至 3.33D FFT 頻譜圖

圖 3-34 Re=1.63×10⁵模型下游 U 流向 Z＝4D 至 9.3D FFT 頻譜圖

圖 3-35 為雷諾數 1.63×10⁵時 V 流向量測高度為 0.13D 至 9.33D 快速傅立葉轉換(FFT)頻 普分析結果，其中有許多結果夾雜著能量很強的低頻訊號擾動，由這 12 個頻譜分析結果並無 法清楚的指出 V 流向真正溢放的頻率訊號。圖 3-36 雷諾數與前不同流向相同，主要分析的速 度方向為 W 流向，高度為 0.13D 至 9.33D，會分析這方向的流場頻譜分析主要是因為想要瞭 解風在越過模型頂部後會有下衝氣流影響，但由結果並無法歸納出有一明確結論。

第三章實驗結果與討論

圖 3-35 Re=1.63×10⁵模型下游 V 流向在 Z＝0.13D 至 9.33D FFT 頻譜圖

圖 3-36 Re=1.63×10⁵模型下游 W 流向 Z＝0.13D 至 9.33D FFT 頻譜圖

第三章實驗結果與討論

圖 3-38 於 Re=1.63×10⁵流速下模型結構震動頻譜

圖 3-39 熱線支撐桿自然震動頻譜

第三章實驗結果與討論

圖 3-40 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=0.67D 震動頻譜

圖 3-41 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=2D 震動頻譜

圖 3-42 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=3.33D 震動頻譜

圖 3-43 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=4.67D 震動頻譜

第三章實驗結果與討論

圖 3-44 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=6D 震動頻譜

圖 3-45 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=6.67D 震動頻譜

圖 3-46 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=7.33D 震動頻譜

圖 3-47 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=8D 震動頻譜

第三章實驗結果與討論

圖 3-48 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=8.67D 震動頻譜

圖 3-49 Re=1.63×10⁵熱線支撐桿於 Z=9.33D 震動頻譜

因為之前所量測圓柱渦流溢放得到訊號其快速傅力葉轉換結果無法明顯的觀察出溢 放的主頻，吾人便嘗試將運用一些簡單統計方法改，首先將每一筆數據切成 4 等分，

然後個別進行快速傅力葉轉換，最後將這 4 等分的 FFT 結果相加後平均，讓雜訊的影 響降低。圖 55 為 Re=1.63×10⁵之 U 方向 FFT 結果，由結果可以觀察出其圓柱渦流溢 放的頻率約為 14.5HZ，其主頻較之前結果明顯。而吾人根據不同高度的 FFT 結果中主

頻計算其史特數（St=F×D/V, F：溢放頻率，D：圓柱直徑，V：入口流速），其史特數 與高度關係如圖 3-51 所示，由圖上可以發現其 St 大小約在 0.15，由文獻中有可發現其 相關研究中所得到的 St 在 0.13～0.16 之間，以將其整理如表 3-1 所示。

圖 3-50 Re=1.63×10⁵模型下游 W 流向 Z＝0.133D 至 6D 頻譜圖

第三章實驗結果與討論