1.1 前言
近年來，噴流的機制非常廣泛的應用在很多的工程問題中，像是流場的控制 與許多精密儀器中的散熱問題，或是引擎的噴油嘴將汽油噴入汽缸內的混合效果 的問題，噴流可以依照流場分成四種，流續噴流(Continuous jet)、合成噴流 (Synthetic jet)、混合合成噴流(Hybrid synthetic jet)與混和脈衝噴流(Mixed pulsed jet)，而合成噴流在噴嘴出口處的淨流量為零，混合合成噴流與混和脈衝噴流在
率的變化非常劇烈，所以細微的紊流現象顯得相當重要，故本研究採用大渦流模式 (Large eddy simulation)模擬合成噴流流場，並且與實驗結果比較，找出最佳的網格 解析度與時間間隔，藉此模擬出最真實的紊流流況並分析紊流動能隨時間的變化，
在之後對於合成噴流的流場設計與參數的設定能夠達到更佳的混合與散熱效果。
圖 1-1 合成噴流示意圖
1.3 文獻回顧
合成噴流(synthetic jet)是藉由一連串成對的渦度相互耦合並提供推進動力而 成，當腔體內的薄膜或活塞進行週期性的往復運動時，便會產生一連串的渦環向 噴嘴外傳遞，如圖 1-1，所繪的流場相似，合成噴流現今大多應用於流場的控制，
最早的理論分析是由 Brian Cantwell and Donald Coles et al(1983)提出，利用一 成對且具一致性的渦流相互作用而成的紊流剪力流(turbulent shear flow)，而造成 紊流剪力流的主要原因是當流體在高速低壓時，被迫產生分離流動形成，在當時 大部分的研究都是在邊界層與紊流混合層(turbulent mixing layer)上的應用，最早 的數值模擬由 DP Rizzetta et al.(1999)使用 DNS 解三維的合成噴流流場，並且捕 捉到在翼展方向的不穩定性導致旋渦結構的碎裂，這是二維模擬無法解出的部 分，直至 A. Glezer et al(2002)提出合成噴流可應用在流場的控制，在這之後就
有非常多的應用像是質傳和熱傳[22]、增強噴流的混合效果[7] 、引擎入口的分 離流動控制[6]。
在合成噴流中，最重要的兩個無因次參數為行程比(Strokes ratio)與雷諾數 (Reynolds number)，M. Gharib et al(1998)為第一位觀測出行程比的重要性的學 者，而渦環的行為是依據行程比
L
0D
決定的，流場主要是由成對的渦環控制，會將周圍的流體捲入，而渦環可以分成領先渦環與尾跡渦流，領先渦環(leading vortex ring)產生後跟著一個尾跡渦流(trailing jet)，當領先渦環與尾跡渦流分離 時，此現象稱做夾止現象(pinch-off)，Jennifer M. Shuster & Douglas R. Smith et al(2007)的研究中提出當 stroke ratio 小於 1 時，渦環的形成會受到吸入行程的影 響，無法形成一完整的渦環如圖 1-2(a)，當 stroke ratio 介於 2~5 之間，靠近噴 嘴的流場行為由渦環主導，較遠的流場可看出明顯的一個穩態紊流的噴流，圖 1-3 為 Manu et al(2011)利用 RANS 模擬出的合成噴流隨時間的速度與壓力分布，
和改變設定的參數與改變噴嘴出口的形狀對流場的影響。
由於合成噴流是零質量流量的控制元件，混合與散熱的效果的有其限制性，
故很多學者發明各種不同種的噴流形式，如前言所介紹的一般，希望提升效率而 Z. Travnicˇek et al(2015)將四種噴流形式做個整理，分別比較散熱效果與物件離 噴嘴之間的距離，找出合成噴最佳散熱的位置與噴嘴型式。
1.4 研究方法
本研究利用大渦流模式(Large eddy simulation)解析合成噴流的紊流流況，針 對兩種不同的噴流形式所做的研究，第一種為活塞驅動的合成噴流流場，使用的 是 Jennifer M.Shuster et al (2007)所做的實驗配置，為了完整的模擬出活塞在汽缸 內的移動造成流體從噴嘴流出的流場變化，模擬活塞位移的部分使用移動網格 法，針對噴嘴的形狀使用沉浸邊界法，藉由結合這兩種方法達到與實驗相同配置 的效果，而沉浸邊界法與移動網格法會在第二章做詳細的介紹。
由於以往所做的模擬或是實驗的結果中，對於邊界上的速度是用一正弦函數 取代，但是在真實的流場流況中會因為很多的因素導致活塞或是薄膜的速度分布 並不會為正弦函數，像是活塞表面的粗糙度不均勻或是薄膜因彈性疲勞變形等，
都會影響到流場的變化，故第二種薄膜驅動的合成噴流流場依照 Z. Travnicˇek et al(2015)所做的噴流實驗量測到噴嘴出口處的速度分布，把這些數據內插到邊界 上用來取代以前常用的正弦函數速度分布，所以在此模擬配置中並不需要沉浸邊 界法與移動網格法，直接將實驗中量測到的數據給入邊界中，便可觀察合成噴流 的流況與紊流動能的變化情形。