研究動機

高溫壁面的熱傳問題在工業界中十分常見，近年來為因應許多工程上的需 要，機械元件所需承受的熱負載不斷增加，造成元件損害與故障，熱傳效應對機 構的影響也ㄧ再被研究，因此對增加機構上的熱傳量一直是重要的研究課題。

舉船舶引擎的動力輸出源為例，船舶的引擎為船舶推進的動力來源，一旦引 擎發生故障，將造成船舶無法正常繼續航行。而位於引擎燃燒室附近之機械元 件，因長期處在高溫高壓的熱負載狀態下，容易且經常發生故障。燃燒室內之活 塞，其頂部直接與汽缸內之火焰接觸，除了承受爆炸瞬間的極大壓力外，亦從燃 氣中吸收了大量的熱量，若活塞頂部溫度過高，又不能及時冷卻，使用日久，將 造成活塞燒損或龜裂，這不只使引擎無法正常運轉，發揮其最大效率，也會使維 修營運成本增加。

為因應全球石油危機，節約能源的政策已經得到諸多先進國家的共識與注 意，因此為了降低燃油成本在航運成本所佔的高比例，船舶引擎的發展將朝向低 引擎轉速、高溫高壓之熱力循環等方向邁進。為了使船舶的引擎效率提昇，以最 少的消耗油量產生最大的輸出動力，勢必要提高燃燒壓力，也因此增加了燃燒溫 度。目前船舶柴油主機推進引擎，其內部燃燒室之最大循環壓力與溫度（Maximum cycle pressure and temperature）已高達 120 bar 及 1500℃，活塞在此高溫 高壓工作環境下，經常會有損壞的情形。為因應船舶引擎的馬力輸出再提高，所 造成引擎活塞熱負載增高的問題，活塞之冷卻技術必須配合提昇，以便能將瞬間 達到高溫的部分熱量帶走，降低其溫度，使得活塞材料能夠承受更高的溫度與壓 力。因此對活塞內更有效之冷卻系統熱傳性能的研究，實為現代造船工業朝向低 耗油率、輸出馬力大等發展趨勢之重要研究焦點。

目前船舶用柴油主機的活塞冷卻系統種類繁多，以蘇撤（SULZER）的大型柴 油主機為例，如圖 1-1，其活塞的冷卻大多採用孔道式冷卻系統。圖 1-2 為從 1968

至 1998 年，蘇撤之大型柴油機每單位活塞面積上所能承受的引擎最大輸出功 率，與其相對應時間之活塞內部的冷卻系統發展過程。如圖裡所示，在這 30 年 期間，柴油機內之每單位活塞面積所能負載的最大功率由 0.34 增加至 0.78（kW /cycle cm²），除了表示活塞內部冷卻系統更有效率外，也因此使得其設計逐年 複雜。在 1969 至 1979 年間，蘇撤大型柴油機的冷卻系統主要為在活塞冠內之冷 卻室設計一些冷卻孔道，當活塞作往復運動時，加壓的冷卻流體經由在冷卻室下 方的伸縮管進入此孔道內，完成熱交換後，再藉由另一伸縮管將冷卻流體送出引 擎外，完成冷卻系統的循環。為了能使活塞承受更大的輸出功率，1980 年後，

蘇撤採用了另一種冷卻系統。此種冷卻系統保留之前的冷卻室，但額外在活塞冠 下方加裝少許的密封管道，稱之為往復運動熱管，即是利用其往復運動的特性來 增加冷卻效果，又因此冷卻管道可盡量接近受熱表面，使冷卻效果大增。在最近 幾年，更出現以衝擊噴射（jet impingement）來提昇活塞內的熱傳性能，雖然 此技術有助於冷卻效率的提昇，卻也因此無形中增加了製造上的困難。

由於活塞冷卻通道內之冷卻流體會隨活塞作往復運動，其流場與其熱傳特性 除與管道的幾何形狀有關外，也會受系統往復運動時所產生的往復力影響，形成 流場邊界隨往復運動移動之特殊流場，可歸屬於移動邊界的問題。相關此類的研 究文獻並不多見。

1-2 文獻回顧

探討引擎活塞熱負載的問題相當複雜，由於內容牽扯到垂直向的活塞往復運 動和在燃燒室裡面變化的流場，在過去就已有文獻簡化此類複雜的問題來做初步 的研究，Grassmann 和 Tuma [1]在 1979 年以實驗探討於紊流模式下，受一脈動 力之平滑管流，於紊流狀態下之質傳特性。結果證明其 Sh. no. (Sherwood number) 可增加至一般穩態管流的 250%，Kim [2]等人更利用數值模擬方法，發現受脈動 力影響之流場，其熱傳特性也會受其所施的脈動力大小不同而有所差異，Bergles [3]在 1996 年的美國國家熱傳會議邀請演講中，指出近年來工業界提昇熱傳性能 的技術有環形管流（coiled tubes）、表面粗糙法（rough surface）、衝擊噴射

（jet impingement）等實用技術。其中以表面粗糙法之內設凸起物（rib）較被 廣泛採用，於工業應用中，很多熱交換器及燃器渦輪葉片內，即利用各種不同形 式之凸起物來提昇熱傳性能，因為凸起物本身穿透流場次邊界層（sub-layer），

並引生渦流（eddy）及增加紊流強度（turbulence intensity），使得熱傳性能 得以提昇。而自 60 年代即有許多有關此方面的研究，Patera 和 Mikic [4]利用 擁有凹槽結構管道來達到流場內部的不穩定性(hydrodynamics instability)，

結果顯示當流場趨近臨界雷諾數時，流體的震盪擾動會導致流場產生頻率共振 (resonant)現象，進而提高熱傳效率，例如 Webb [5]，Lewis [6]等人，以實驗 量測及數值模擬來探討於平滑管中加裝凸起物對熱傳性能的影響，結果都證明其 熱傳效果都遠比平滑管來得好。在 Bergles [7][8]詳細地探討與整理各種增加 熱傳效率的方法，並且將增加熱傳效率方法略分為兩大類：一為不需另外作功的 被動式（passive）方法，比如再避面加一層塗料、將壁面作表面粗糙處理、增 加熱傳表面積、加裝混合流體或使流體產生旋轉流動的機構、與在流體中加入添 加物等；另一類為須外加能量的主動式（active）方法，包括有以機構增加流體 的擾動、使壁面振動或振動流場、增加電磁場、噴入流體、移除覆蓋熱傳面的冷 凝水膜、或加裝噴嘴直接對高溫壁面噴出流體等。此外，Bergles 與 Webb[9]進 一步將過去有關提高熱傳效率的文獻，依據上述分類整理製表。

Han [10]以雷諾數從 7000 至 9000 之紊流流場在內設凸起物之方管中進行實 驗，發現因加裝凸起物所受的影響，其局部 St 數（local Stanton number）可 增加至平滑管的 150﹪-220﹪，往後持續性的研究大都朝向改變入口區的形狀、

長度，以及改變凸起物的幾何形狀與裝設位置等方面進行，Park [11]研究不同 形狀之熱交換管內插入結構對提高熱傳效率的影響。結果顯示圓錐型盤管(conic coil)與肋狀(ribbon type)的插入結構約可提高 30%的熱傳效率。

Chang [12]利用實驗量測方法，比較內設凸起物之靜止流場與受往復運動之 動態流場的熱傳性能。結果發現往復運動下的熱傳效果，會隨著往復運動速度的 增加而提昇，當達到其實驗中的最高往復運動速度時，熱傳效果可比在靜止流場

中增加 45%。之後 Chang[13]又對往復平滑面反重力式盲管進行熱傳實驗，發現 於往復管中慣性力相對強度提升可提高熱傳，但亦增加無因次壁溫，視管壁區間 及往複數範圍，增加往復力相對強度可提高或降低無因次壁溫。Fu et al.[14]

在加熱壁面上裝置移動薄塊，藉由薄塊在加熱壁面上快速地往復運動，破壞壁面 的邊界層，使的管內熱傳效率增加，其結果顯示熱傳最大可以增加 98%。

賴[15] 採用 ALE 法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian method)模擬活塞內 部加裝冷卻渠道，實際的活塞頂部受到引擎室爆炸的影響溫度非常之高，該區流 場受溫度效應影響的比例非常大，因此自然對流效應不容忽視。賴的模擬過程 中，加入了溫度對於自然對流的影響，並針對不同噴入氣流的雷諾數、活塞震盪 頻率、活塞振幅、重力方向，比較其熱傳效益。其結果顯示當重力方向和進口流 相反時，活塞頂部的流體容易由於高溫而形成溫度層化，導致活塞頂部熱傳效率 降低；當進口流體雷諾數變大時，除了導致流體衝擊高溫壁面的現象更加明顯 外，流體隨活塞做往復運動期間，流道內部流場的擾動也會隨著雷諾數增加而變 大，因此活塞頂部高溫壁面的熱傳效益會明顯的隨著流體雷諾數的增加而增加；

而當重力方向和流體的進口方向相同時，由於浮力效應會將高溫流體帶離高溫壁 面，因此增加了管道內冷流體接觸高溫壁面的機會，而使熱傳效率增加的情形，

而活塞在做運動時，在各週期時中流場變化極為相似，整體平均的紐塞數會產生 類似的週期性變化。

連[16]進ㄧ步在冷卻渠道上多加上一層多孔性介質並探討其熱傳效應，結果 顯示加入多孔性介質能增加活塞頂部高溫的熱傳，相同的浮力效應的影響下，進 口流速度較高時，活塞頂面的熱傳效果較好，且重力方向與進口流相同時的高溫 面熱傳效率較重力方向與進口流相反時差。劉[17]、黃[18]指出，流場中加入多 孔性介質可以增加流體的熱傳效果，改善壁面的熱傳效率，因此本文在流道的高 溫面加入多孔性介質，以期可以增強高溫面的熱傳效率，並有效降低活塞的工作 溫度。

余[19]陳[20]為有效提升ㄇ型渠道上頂部熱傳效率，實驗方法於ㄇ型渠道上

裝設ㄧ往復式移動機構，藉由往復運動造成渠道頂部壁面與內部流動流體相互撞 擊，已達成提升熱傳效率目的，實驗結果顯示，ㄇ型渠道下處於高雷諾數狀態下，

低無因次振動頻率對其熱傳效果不明顯，且ㄇ型渠道處於無因次振動頻率為 0.05 狀態下時，其熱傳效率所增加的趨勢最明顯。