第三章 剪流層非穩態渦漩衍化特性與動力機制
3.1 流場特徴模式
3.1.1 混合層式渦漩(mixing-layer type vortices)
圖 3.1(a)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，於圓管中心垂直剖面之高速攝影連續影像。影像擷 取速率為3,000 fps，曝光時間為 1/10,000 sec，另定義時間衍化無因 次參數
t
*= t u
jd
，其中 t 為衍化時間，單位為秒，並利用白色圓環標 示渦漩從管口形成而隨時間衍化的過程。由於此時噴流對應橫流之動 量通量比甚小，噴流從管口射出後受橫流衝擊影響，隨即以大角度姿 態向下游處偏折。當 t*=0 時，噴流出口上游處，類似波浪狀之流體 結構(wavy structure)初始形成，此波浪結構隨時間衍化受橫流沖洗流 向下游，並逐步發展形成完整捲曲(roll-up)結構，其衍化過程如圖 t*=0.095，0.190，0.285 與 0.380 所示。噴流剪流層上方所形成之捲曲 結構，於極短的x 方向距離完成偏折並以順時鐘方向旋轉渦漩型態流 向下游。由於噴流對應橫流之動量通量比值甚小，因此在橫流與噴流 邊界層間形成明顯速度梯度並產生剪切作用力。而剪切作用所誘發之 順時鐘旋轉渦漩結構，類似發生於紊流混合層(mixing layer)之凝序性 結構(coherent structure)。因此將此類型流場特徴模式定義為「混合層式渦漩」(mixing-layer type vortices)。圖 3.1(b)為手繪剪流層渦漩結構 空間衍化示意圖，在x/d>3 下游處，噴流邊界層下方捲曲結構受剪切 作用力減小與下洗作用(downwash)影響而逐漸消散。
圖 3.2 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 3.2(a)與 3.2(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，照片內垂直區間標示線代表速度量測位置與範圍。
圖3.2(c)、(d)、(e)分別代表離管口不同距離位置，於噴流剪切作用影 響範圍，沿z 方向量測之速度分佈結果。其中以較寬間距虛線標示出 噴流上邊界層(upper jet boundary)位置。由圖 3.2(c)發現位於噴流上邊 界層上方區域，沿z 方向速度梯度變化極小(∂ū/∂z≈0)。而於上邊界層 下方區域沿z 方向速度梯度則呈現明顯正速度梯度變化(∂ū/∂z>0)。距 管口較遠下游位置，速度梯度呈現漸趨和緩趨勢。由於噴流上邊界層 下方區域呈現明顯正速度梯度，所以混合層型式渦漩呈現順時鐘旋轉 捲曲結構，並於x/d>3 下游處逐漸消散。
圖 3.3 為橫流雷諾數 Rew=2,872，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.08 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 Rew=2,051 升高為 Rew=2,872，但在 動量通量比維持不變情況下，由流場觀察照片圖 3.3(a)，(b)發現其流 場結構與輪廓與之前橫流雷諾數 Rew=2,051 條件下極為近似。圖 3.3(c)、(d)、(e)亦呈現於噴流上邊界層上方區域，沿 z 方向速度梯度 變化極小(∂ū/∂z≈0)，於上邊界層下方區域沿 z 方向速度梯度為明顯正
速度梯度值(∂ū/∂z>0)，距管口較遠下游位置，速度梯度漸趨和緩之相 同結果。
圖 3.4 為橫流雷諾數 Rew=3,692，噴流對應橫流之動量通量比 R=0.08 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。此時在維持動量通量比不變之條件下，將橫流雷諾數再度升高，
其結果仍呈現與圖 3.2 與圖 3.3 相同的流場結構與輪廓，且沿 z 方向 速度梯度變化情形也幾乎完全相同。
圓管噴流射入橫流環境所形成之渦漩結構具有複雜之三維結 構，因此必須同時進行水平剖面流場結構分析，方能正確完整了解其 流場結構特性。圖 3.5 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，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3.5(a)為 z/d=0.5，通過上剪流層渦漩結構之水平剖面 照片，其中可發現於中心軸線兩側具有對稱捲曲狀之渦漩結構，且波 數與圖3.1 垂直剖面剪流層之捲曲渦漩數相同，因此可證明噴流剪流 層渦漩具有三維結構型態。圖3.5(b)為 z/d=0.1 位置之水平剖面照片，
此時水平剖面通過噴流下邊界層。位於噴流出口後方(x/d<1.5)中心軸 線附近，可發現一近似緩衝區域(buffer zone)，其兩側邊界層伴隨存 在剪切渦漩結構，而在x/d>1.5 下游處則可再度觀察到對稱之渦漩結 構。圖 3.5(c)為 z/d=-0.5 位置之水平剖面照片，水平剖面通過近管口 圓管尾流區。此時圓管尾流區深受横流下洗作用影響，於尾流區形成 小型迴流泡結構，在迴流泡結構下游中心軸線兩側，則可發現非對稱 之渦漩結構。圖3.5(d)為 z/d=-2.0 位置之水平剖面照片，剖面通過區
域為圓管尾流區。此時圓管尾流區仍受横流下洗作用影響，當橫流通 過圓管時並未發現渦漩逸放(vortex shedding)現象，取而代之的是於尾 流區形成一穩定迴流泡結構。如將水平剖面流場觀察區域移至管口下 方較遠處(z/d=-9.0)，尾流區將可遠離管口三維效應影響區域。此時則 可發現橫流通過圓管所形成之 Kármán 渦漩逸放現象，如圖 3.5(e)所 示。