第四章 平均流場分析
4.2 水平剖面平均流場分析
圖 4.8 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，結合平均速度向量、流線分佈與 長時間曝光影像之複合圖。由於水平剖面平均流場沿y=0 軸線兩側為 對稱型式，所以僅以單邊區域範圍表示流場平均特性，其中各圖上半 部份代表流線分佈，下半部份代表平均速度向量，並以圓環虛線標示 圓管出口位置。圖 4.8(a)與圖 4.8(b)水平剖面量測位置分別為 z/d=0.5 與 z/d=0.1，水平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，且通過剖面區域噴流已完成偏折，所
以橫流經過噴流並未造成流場速度明顯變化。雖然煙霧影像呈現漸縮
至管口下方 z/d=-8.0，此時平均流線因 Kármán 渦漩逸放所形成之迴 流泡結構，其位置距圓管較遠，所以主要渦度(Ωz>600)分佈範圍也隨 之向後延伸。
圖 4.10 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，結合平均速度向量、流線分佈與 長時間曝光影像之複合圖。圖 4.10(a)與圖 4.10(b)水平剖面量測位置 分別為 z/d=1.1 與 z/d=0.5，水平剖面通過區域分別為噴流上下邊界 層，此時平均流場結構與流線分佈類似圖4.8(a)與圖 4.8(b)。圖 4.10(c) 水平剖面量測位置為 z/d=-0.5，通過區域為圓管尾流區。由於受下洗 作用影響，此時尾流區並未發生Kármán 渦漩逸放情形，平均流場結 構 與 流 線 分 佈 類 似 圖 4.8(c) 。 圖 4.10(d) 水 平 剖 面 量 測 位 置 為 z/d=-8.0，通過區域為圓管尾流區。由於距管口距離較遠，不受下洗 作用影響，此時尾流區將產生 Kármán 渦漩逸放情形，如圖 3.10(e) 所示，而平均流線分佈類似圖4.8(d)。
由圖 4.10(a)至(d)平均速度向量計算所得之平均渦度等值輪廓分 佈，如圖4.11(a)至(d)所示。圖 4.11(a) 水平剖面量測位置為 z/d=1.1，
由於此時橫流經過噴流水平剖面區域時，並未造成x-y 平面流場速度 明顯變化，所以相對渦度峰值較低，且最高渦度峰值僅為 550。圖 4.11(b) 水平剖面量測位置為 z/d=0.5，橫流經過噴流尾流區，此時於 噴流尾流區形成的速度向量變化較大，所以相對渦度峰值較高，其主 要渦度分佈情形類似圖 4.9(b)。圖 4.11(c) 水平剖面量測位置移至管 口下方 z/d=-0.5，其流場型式與平均流線類似於圖 4.9(c)，而主要渦
度分佈情形亦類似圖 4.9(c)。圖 4.11(d) 水平剖面量測位置移至管口 下方 z/d=-8.0，其流場型式與平均流線類似於圖 4.9(d)，而主要渦度 分佈情形亦類似圖 4.9(d)。
圖 4.12 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，結合平均速度向量、流線分佈與 長時間曝光影像之複合圖。圖 4.12(a)與圖 4.12(b)水平剖面量測位置 分別為z/d=1.8 與 z/d=1.4，通過區域分別為噴流上下邊界層。此時平 均流場結構與流線分佈類似圖4.8(a)與圖 4.8(b)。圖 4.12(c) 水平剖面 量測位置為z/d=0.25，水平剖面通過區域為噴流尾流區。此時噴流尾 流區並未發生Kármán 渦漩逸放情形，但由於噴流動能增強，相對噴 流氣柱抵抗橫流衝擊能力增加，於噴流尾流區將形成迴流泡結構，迴 流泡涵蓋範圍如流線分佈圖所示。圖 4.12(d) 水平剖面量測位置為 z/d=-0.5，通過區域為圓管尾流區，由於受下洗作用影響，尾流區並 未發生 Kármán 渦漩逸放情形，平均流場結構與流線分佈類似圖 4.8(c)。圖 4.12(d)水平剖面量測位置為 z/d=-8.0，通過區域為圓管尾流 區。由於距管口距離較遠，不受下洗作用影響，此時尾流區將產生 Kármán 渦漩逸放情形，如圖 3.15(e)所示，而平均流線分佈類似圖 4.8(d)。
由圖 4.12(a)至(e)平均速度向量計算所得之平均渦度等值輪廓分 佈，如圖 4.13(a)至(e)所示。圖 4.13(a)與圖 4.13(b)水平剖面量測位置 分別為z/d=1.8 與 z/d=1.4，水平剖面分別經過噴流上下邊界層。由於 橫流經過噴流上下邊界層水平剖面區域時，並未造成x-y 平面流場速
度明顯變化，所以相對渦度峰值較低，且最高渦度峰值僅為 550。圖 4.13(c) 水平剖面量測位置為 z/d=0.25，橫流經過噴流尾流區時將形成 一迴流泡。此時因為噴流氣柱支撐性較高，橫流通過噴流氣柱時產生 明顯繞行通過現象。但噴流氣柱畢竟不同於圓管實體結構，噴流氣柱 在面對橫流衝擊時，仍會產生順從變形(compliance and deformation) 現象。所以相對最高渦度峰值並未出現於噴流氣柱兩側，而是發生於
作用影響，此時尾流區將產生 Kármán 渦漩逸放情形，如圖 3.21(e) 所示，而平均流線分佈類似圖4.8(d)。
由圖 4.14(a)至(e)平均速度向量計算所得之平均渦度等值輪廓分 佈，如圖 4.15(a)至(e)所示。圖 4.15(a)水平剖面量測位置為 z/d=2.2，
水平剖面經過噴流上邊界層，由於橫流經過噴流上邊界層水平剖面區 域時，並未造成 x-y 平面流場速度明顯變化，所以相對渦度峰值較低，
且最高渦度峰值僅為-150。圖 4.15(b)水平剖面量測位置為 z/d=1.4，
水平剖面經過噴流下邊界層，此時流場平均流線靠近中心平面區域形 成向外擴張現象，所以可發現最高渦度峰值出現靠近平面中心軸線兩 側區域，其渦度峰值大小為 850。圖 4.15(c) 水平剖面量測位置為 z/d=0.5，通過區域為噴流尾流區，其流場型式與平均流線類似於圖 4.13(c)，而主要渦度分佈情形亦類似圖 4.13(c)，而最高渦度峰值增 強為 4,400。圖 4.15(d)與圖 4.15(e)水平剖面量測位置分別為 z/d=-0.5 與z/d=-8.0 其流場型式與平均流線類似於圖 4.13(d)與圖 4.13(e)，而主 要渦度分佈情形亦類似圖4.13(d)與圖 4.13(e)。
圖 4.16 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，結合平均速度向量、流線分佈與 長時間曝光影像之複合圖。圖 4.16(a)水平剖面量測位置為 z/d=3.0，
通過區域為偏折後之噴流下邊界層區域，此時平均流場結構與流線分 佈類似圖4.14(a)。圖 4.16(b) 水平剖面量測位置為 z/d=1.0，通過區域 為噴流尾流區，此時平均流場結構與流線分佈類似圖 4.12(c)，但此 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
成之迴流泡涵蓋範圍大於圖4.12(c)與圖 4.14(c)。圖 4.16(c) 水平剖面 量測位置為 z/d=-1.5，通過區域為圓管尾流區，此時圓管尾流區受強 烈噴流引發上洗氣流影響，形成一緩衝區並產生迴流泡結構，如平均 流線分佈所示。圖4.16(d)水平剖面量測位置為 z/d=-8.0，通過區域為 圓管尾流區，由於距管口距離較遠，不受下洗作用影響，此時尾流區 將產生Kármán 渦漩逸放情形，如圖 3.26(e)所示，而平均流線分佈類 似圖4.8(d)。
由圖 4.16(a)至(d)平均速度向量計算所得之平均渦度等值輪廓分 佈，如圖4.17(a)至(d)所示。圖 4.17(a)水平剖面量測位置為 z/d=3.0，
水平剖面通過區域為偏折後之噴流，由於橫流經過噴流水平剖面區域 時並未造成x-y 平面流場速度明顯變化，所以相對渦度峰值較低，且 最高渦度峰值僅為-550。圖 4.17(b)至圖 4.17(d)水平剖面量測位置分 別為 z/d=1.0、-1.0、-8.0，其流場型式與平均流線類似於圖 4.15(c)至 圖4.15(e)，而主要渦度分佈情形亦類似圖 4.15(c)至圖 4.15(e)。