第一章 緒論
1.1 研究動
噴流射入橫流環境之工程技術，廣泛應用於各類工程領域中，例 如在飛行控制領域方面：垂直短場起降(V/STOL)戰機進行飛行模式 轉換時之飛行控制技術、太空載具向量推進系統之應用、機翼表面分 離氣流之控制等等。在燃氣渦輪引擎動力工程方面之應用則包含：渦 輪葉片噴流膜狀冷卻應用，燃燒室壁面冷卻氣幕之保護措施，以及發 動機燃料噴射分佈之控制。於環境工程之應用則涵蓋：煙囪、燃燒塔 之煙流排放與冷卻塔蒸氣熱流擴散等實例。
噴流射入橫流之相關議題至今所以仍有許多研究學者持續不斷 進行研究，除了其廣泛的應用層面外，另外之主因是橫流衝擊噴流所 形成之複雜流場結構及其渦漩衍化過程，仍為一未知之領域。噴流射 入橫流之問題，依據噴流出口位置差異，大致可歸類成兩種型態，其 一是從壁面射出噴流進入橫流環境之型式，如渦輪葉片噴流膜狀冷卻 應用實例；另一型式為圓管從壁面凸出某一高度，射出噴流進入橫流 之環境，如煙囪煙流排放之問題。以上兩種型態之噴流分別具有不同 之流場結構與渦漩生成衍化方式。
在壁面射出噴流方面，噴流受橫流衝擊時，流場主要受噴流、橫 流、噴流尾流及壁面邊界層效應彼此相互影響而構成複雜之三維流
場，Fric 與 Roshko [1]曾針對此型態流場結構描繪出立體結構，如圖 1.1 所示，並將其所形成之渦漩分為四大類型：
(1) 彎 曲 噴 流 剪 流 層 受 剪 切 作 用 所 形 成 之 剪 切 渦 漩 (jet shear-layer vortices)。
(2) 沿壁面繞過噴流周圍，受壁面邊界層影響所形成之馬蹄形渦 漩(horseshoe vortices)。
(3) 噴流彎曲後於噴流氣柱剖面所形成之反向對稱旋轉渦漩 (counter-rotating vortex pair, CVP)。
(4) 於噴流氣柱尾流區域所形成之尾渦漩(wake vortices)。
而對壁面伸出圓管射出噴流之型態而言，由於圓管深入橫流流場 以及噴流出口遠離壁面邊界層之影響，其三維流場結構主要由噴流、
橫流、噴流尾流及圓管尾流之間的交互作用所主導。
噴流射入橫流工程問題之複雜性除了本身流場結構為三維紊流 非穩態特性外，具不同特性的流場區域彼此皆存在交互影響之關係，
且各個不同區域所衍生的渦漩結構特徴與機制各不相同。在不同噴流 對應橫流速度比 r=
u
ju
w(u
j:噴流平均速度, uw:橫流速度)條件下所 衍生之流場模態與渦漩結構皆有其各自的衍化機制。為了探討瞭解此 工程問題，數值計算模擬與實驗分析之相關研究一直持續不斷進行。早期數值模擬計算受限於計算機運算效能與完整運算模式之建立，所 獲得之結果多為平均近似值且欠缺紊流統計特性值。近期受惠於計算
機運算效能大幅提升並配合流場數值演算模式之發展更新，使得整體 流場之結構、速度與紊流等特性可獲得較完整之瞭解。但爲了獲得較 佳的運算結果，大量三維網格之建立並配合暫態變化時間間隔(time step)考量，可觀的運算時間仍無法避免，且選用之計算模式與運算之 結果仍需仰賴正確可靠的實驗數據加以驗證與修訂，方能確認數值模 擬計算之正確性。
在實驗定性分析研究方面，早期的流場觀察利用投射燈作為光 源，僅能獲得噴流之軌跡與分佈情形。後來引入雷射光頁影像觀察技 術，使得流場結構得以局部清晰呈現。近期由於高速數位攝影設備的 進步發展配合高強度雷射光源，藉由高速攝影，得以呈現渦漩結構衍 化之過程。但單純的流場觀察實驗，定量的分析資料仍然闕如。
在定量實驗研究方面，早期運用皮托管(Pitot-tube)可進行單一方 向之速度量測；而熱線風速儀(hot-wire anemometer)運用其高動態之 反應特性配合高速資料擷取系統，可同時獲得速度與紊流特性統計分 析資料。但上述兩種量測技術所採取的是侵入式量測，因此會有造成 干擾流場之顧慮。後來藉雷射都普勒測速儀(laser Doppler anemometer, LDA)之發明，解決了量測時干擾流場的顧慮，同時也可獲得精確之 速度量測值。但它卻仍面臨侷限單點速度量測的限制，無法突破「瞬 時全場速度量測」技術之瓶頸，所以量測噴流射入橫流之瞬時暫態流 場 結 構 仍 未 獲 得 解 決 。 直 到 近 期 質 點 影 像 速 度 儀(Particle Image Velocimetry, PIV)結合影像資料交互相關性(cross-correlation)演算分 析，使得二維平面非接觸性之「瞬時全場速度量測」技術得以實現。
由壁面伸出圓管射出噴流進入橫流環境所衍生的流體運動性 質，在過去已有許多的文獻進行探討分析，但絕大多數的研究方向集 中於壁面射出噴流之議題，相對的以壁面伸出圓管射出噴流進入橫流 環境為研究主題之文獻卻不多見。過去由於實驗設備與量測技術的限 制因素，對於噴流出口附近區域所形成之複雜渦漩結構與衍化過程，
並沒有詳細的研究與記載。這些不同型態的渦漩結構在環境工程領域 中是影響污染排放物在初始區擴散能力的關鍵因素，在航空領域中是 關係氣動性能的主要原因，在燃氣渦輪引擎動力工程方面則是維持冷 卻氣幕的重要條件。所以本研究針對由壁面伸出圓管射出噴流受橫流 衝擊環境影響，剪流層非穩態渦漩衍化之特性與動力機制進行實驗研 究，藉以提供相關工程領域設計之參考與應用。