穩定動量吸出

接著在不同雷諾數(Re=800~3200)下，以不同穩定動量吸入於單圓 柱後尾流流場，受到圓柱後狹縫吸入固定U

_j

之穩定動量激擾圓柱後渦 漩，實驗中發現明顯改變圓柱表面產生之速度邊界層，使得分離點位 置的改變影響了原本固定規律下之尾流頻率所產生的渦漩剝離方 式。本節所探討是圓柱正後方中心位置處將圓柱後尾流之流體強制吸 出，破壞下游圓柱後尾流渦漩之結構，影響了圓柱表面之邊界層分 佈。由圖 3.3-1 至圖 3.3-8 所示，與未吸之前，如圖 3.1-1 至圖 3.1-4 流場影像觀察比較，發現穩定動量吸出尾流會影響尾流的渦漩結構，

隨著吸出的平均速度值U

_j

不斷增加，圓柱後尾流渦漩就愈靠近上游圓 柱，圓柱後尾流渦漩剝離，有被消弱和破壞之現象，其尾流區域產生 之渦漩也愈不明顯。

3.3.2 速度分佈與頻譜分析--熱膜探針量測結果 紊流強度

由圖 3.3-9 至圖 3.3-12 所示於不同 Re 下，穩定動量吸入圓柱尾 流 流 場 於 垂 直 方 向 速 度 擾 動 值 之 紊 流 強 度 分 佈 ， 可 發 現 圖 中

0 /

_up

=

j U

U

之速度擾動值分佈都稍比圖中其他的

U / _j U _up

值來得高，顯 然在未注入圓柱後尾流流場之紊流強度是較大的，隨著吸入圓柱後尾 流流場之動量增加，速度擾動值下降，相對紊流強度也下降，從圖中

可了解穩定動量注入圓柱尾流流場於橫向(cross stream direction) 速 度擾動值之紊流強度分佈，在區域-0.6≦Y/D≦0.6 處為大略凸起之位 置，為紊流強度值較大分佈之主要區域。因此，吸出動量的干擾量增 加，會使原來較強的不穩定尾流流場之紊流強度分佈，能得到相較於 原來穩定之流場控制。

頻譜分析

如圖3.3-1 至圖 3.3-8 下，利用 Hot-Film probe 於測試段中位置 X/D=3.5，Y/D=1.0 量測圓柱後尾流之主要頻率 f

_S

，隨著吸出干擾速 度U

_j

的增加，f

_S

和未干擾之尾流的剝離頻率其值都相近，但隨著吸 吸出干擾動量愈多，及Re 的增加，除了過多擾動對圓柱尾流所造成 混亂的雜訊外，其尾流之特徵頻率依然呈現明顯，這量測出的特徵頻 率，應就是當時受吸入動量後激擾圓柱後尾流的頻率。

平均速度

圖3.3-13 至圖 3.3-16 於不同 Re 下，受穩定動量吸出干擾之圓柱 尾流速度分佈，比較有動量吸出干擾的尾流(

U _j

/

U _up

≠0)與無干擾的尾 流(

U _j

/

U _up

=0)，可發現兩者尾流中間部分的速度比自由流的速度低，

但有動量吸出干擾的的情形在尾流區的速度反略高於原來未干擾的 尾流速度(以相同的位置作比較)。其原因可解為﹔此實驗數據在

X/D=3.5 獲得，由於吸出動量的干擾已破壞原來較規律的尾流結構，

流體因此朝頁X-方向的流動的成分較少，使流場在 X/D=3.5 已呈較 均勻的分佈。由於Hot-film 在流速趨近於零較不準確，而且此尾流區 可能橫向與流向的速度不可偏廢，Hot-film 感應到的是兩者的合成大

小，因此低速量測時Hot-film 有較大的誤差，此區的流場有待進一步 的探討。

經由上述分析描述，發現圓柱後尾流經穩定動量吸入激擾 下，會對其尾流區內紊流強度產生相當程度的抑制作用，尾流中 之渦漩於尾流區有消弱的現象，下游區（例如X/D=3.5）的平均流 速則較為均勻。

3.3.3 PIV 觀測結果

在不同的角度下針對流場吸出動量，角度分別為 0˚、30˚、60˚及 90˚。在藉由對流場的初步觀察後，發現尾流場在吸出動量後所產生 的變化效應與注入動量差異很大，因此以下便針對在不同的角度下對 尾流場吸出動量後之流場結構分別加以研究，並且探討流場在這種效 應下是否會變的較均勻、尾流結構是否會被破壞。

無角度動量干擾

首先圖3.3-17 是位於 0˚時對尾流場吸出動量後所產生的結果。在

此條件下，通過圓柱上下方的流體仍會出現交替式的向圓柱後方捲入 的情形，但在吸出的動量影響下，靠近圓柱後方的流場均向圓柱移 動，導致接近圓柱後方的流場呈現出混亂的情形並且較無明顯之渦漩 剝離出現。由圖3.3-18(a)~圖 3.3-19(a)中可以發現，在 X/D 約介於 2~3 的位置，圓柱後方流場因受動量干擾的緣故，而使得上游的流體直接 通 過 原 本 在 沒 有 動 量 干 擾 的 情 況 下 會 產 生 尾 流 的 區 域( 約 -1≤Y/D≤1)，而沒有產生渦漩。但此流場為一暫態的現象，經由觀察 圖3.3-17 可以發現，此一由圓柱下方向上流動而產生的均勻流場存在 著一固定的頻率出現，當Re = 465，吸出動量為 Q = 0.5 L/min 時，其 週期大約為 8 秒。並且由圖 3.3-17 (d)可以看出因為圓柱上方的流體 向下流動，而使得尾流場變為非常混亂，並且產生未順著光頁運動的 情形。

有角度動量干擾

圖 3.3-20~21 顯示圓柱旋轉 30˚吸出動量後的流場情形。在圖中 可以清楚的看出圓柱後方的尾流區產生相當大的變化，圓柱後方的流 場因受到動量吸出的干擾，使得原本存在的剪力層遭到破壞。上游流 體在通過圓柱下方時，因為剪力層已被破壞而繞過靠近圓柱較混亂的 區域產生向上流動的情形。接著這一股流場將與通過圓柱上方的流場

相遇，因為兩流場之間速度梯度的存在而產生一剪力層。而這一剪力 層的產生將隨著流場的進行而形成高低起伏的型態。在圖 3.3-20 (a) 中剪力層的發生位置與無動量干擾時相差不多，而隨著動量吸出的增 加，在圖3.3-21(a)中，此一剪力層將被破壞，使得圓柱後方的流場變 得均勻，完全破壞了尾流結構。而在圖 3.3-20 (b)與圖 3.3-21(b)中可 以發現水平方向的速度在繞過動量干擾的區域後會產生加速的現 象，而隨著Y/D 的增加而逐漸降低，到了剪力層的位置將降到最低，

而後恢復到上游速度。而垂直方向的速度分量在繞過動量干擾區後開 始增加，增加到Y/D = 0 附近為最大值，而後通過剪力層並且逐漸降 低，最後回復到零，使圓柱上方的流場恢復成水平流動。因此圓柱後 方的流場在剪力層之下流場呈現向上流動的型態，而剪力層之上則是 呈現水平流動的趨勢。而在剪力層之下的這股向上流動的趨勢在越接 近圓柱的位置越強烈，隨著遠離圓柱而受到上游流動的力牽引而逐漸 減弱。

圖 3.3-23~24 為動量吸出角度為 60˚時的流場結構。由圖中可以 再次清楚的發現，圓柱後方的流場與原本在無動量干擾時的尾流結構 產生相當大的差異。流場結構與在 30˚時吸出動量時相當類似，在圓 柱後方除了靠近圓柱的區域會產生較混亂的情形，另外就是原本會出 現的上下兩剪力層已消失，取而代之的是一個上下起伏的剪力層。而

由圖3.3-22 中可以發現，當 Re = 465 而注入動量為 Q = 0.2 L/min 時，

此一剪力層上下擺動的週期約為3.3 秒。由圖 3.3-23 (a)中可以看到流 體在通過圓柱下方時，較靠進圓柱的部份流體受到動量干擾的作用產 生了較混亂、沒有在光頁上流動的非2D 運動，而較遠離圓柱的流體 則繞過此一區域向上方流動，並與通過圓柱上方的流體遭遇而形成高 低起伏的一剪力層。而圖 3.3-24(a)則是增加動量吸出後消除了速度梯 度，使圓柱後方流場形成均勻流動。而經由觀察圖 3.3-23 (b)與圖 3.3-24(b)可以看出，水平方向的流速會隨著 Y/D 的增加而降低，直到 經過剪力層之後逐漸增加恢復到上游速度，同時圓柱下方的水平速度 也高於上游速度。而垂直方向的速度則是隨著 Y/D 的增加而增加，

最大值發生在Y/D = 0 的位置，然後逐漸降低到零，使得圓柱上方的 流場在沒有受到剪力層影響的區域為一近似水平的運動。

圖 3.3-26~ 圖 3.3-27 為垂直向下 90˚吸出動量時的流場結構。由 圖中可以看到圓柱後方的流場結構已經無法出現類似上述在 30˚及 60˚時之均勻流場。當上游的流體流經圓柱下方受到動量干擾後，依 然會出現向上流動的趨勢，不過在這種條件下，此趨勢變的較不強 烈。而受速度梯度影響而產生的類似尾流結構所影響的區域因此增 加。在圖 3.3-26 (a)中可以發現，當吸出的動量較小時，由於圓柱下 方所產生的向上流動趨勢較微弱，因此與通過圓柱上方之流場形成一

類似尾流的結構，同時由圖 3.3-26 (b)中可以發現此結構保持在一固 定寬度大約是Y = 1.5D。當動量吸入的干擾量增加時，在圖 3.3-27 (a) 中可以發現，由圓柱下方向上流動的趨勢增加，導致與圓柱上方流場 所產生的剪力層位置向上提高，同時此一類似尾流的結構寬度也比動 量吸出量小時較窄。另外由圖3.3-25 中也可以發現此一尾流結構有週 期性上下擺動的情況發生，當Re = 465，吸出動量 Q = 0.5 L/min 時，

其週期大約為3.8 秒。因此由上述可以知道，動量吸出干擾量的大小 將直接的對圓柱後方的流場產生重大的影響。接著由圖3.3-26(b)中可 以觀察到在動量吸出干擾量較小時，在 X/D≈2 截面上的水平速度除 了在尾流區以外大致上維持穩定大小，但是在垂直方向的速度則是越 靠近尾流區越高，然後逐漸向兩側遞減。當吸出動量增加到 Q = 0.5L/min 時，如圖 3.3-27 (b)，因為圓柱下方向上流動的趨勢增強，

因此出現與在30˚及 60˚時吸出動量的類似情況，就是尾流區下方的水 平速度將略高於上方的速度，同時水平方向的速度在尾流區上方將逐 漸增加恢復到上游速度。而垂直方向的速度則是隨著 Y/D 的升高而 增加，而在通過尾流區較混亂的流場後又恢復到零左右。

圖 3.3-28~30 顯示在 Re=465 時於圓柱後方 0˚、60˚與 90˚時穩定 吸出動量之頻譜圖。其出現的特徵頻率分別也與利用PIV 分析出之結 果相近。由圖3.3-29 及圖 3.3-30 中可看出在探針所在的位置上流場的

頻率非常單一，較無其他頻率出現。

大致上總結以上的觀察可以發現，於圓柱後方0˚穩定吸出動量時

大致上總結以上的觀察可以發現，於圓柱後方0˚穩定吸出動量時

在文檔中 流體注入對圓柱尾流渦漩的影響與其流場控制研究(II)Effect of Unsteady Fluid Mass Injection on the Vortex Shedding from a Circular Cylinder and Its Control (II) (頁 42-50)