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，舉船舶引擎的動力輸出源為例，船舶引擎的發展將朝向低轉速與 高溫高壓之熱力循環方向來邁進，以提升船舶引擎的輸出功率進而降低燃 油成本，因此機械元件所必需承受的熱負載量也逐年增加，為確保機器能 夠承受更高熱力循環溫度與壓力，以維持其正常的使用壽命期限，其改善 之道，除了發展能夠承受更高溫度與壓力的熱機構材料外，另一個有效率 的解決方法則為發展高性能的冷卻散熱系統。依照目前船舶柴油推進引擎 的規格為例，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℃，位於引擎燃燒室附近 的機械元件，更因長期處在高溫與高壓的負載狀態下，而容易發生故障損 壞，尤其是燃燒室內部的活塞，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而龜裂，致使引擎無法 正常運轉而降低其經濟競爭力，同時維修的營運成本也因此增加，所以對 一長期處於高溫環境下運作的機械元件而言，如何有效地降低其工作溫度 一直是工業界與學術界一致努力研究的方向。
目前船舶柴油引擎的活塞冷卻系統種類繁多，以蘇撤（SULZER）的 大型柴油引擎為例，圖 1-1 為蘇撤大型柴油引擎從 1968 至 1998 年每單位 活塞面積上所能承受的引擎最大輸出功率，與其所對應時間之活塞內部的 冷卻系統發展過程，從中可知柴油引擎在這 30 年的發展過程中，其每單 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），這 個結果顯示活塞內部所因應的冷卻系統更有效率，但也導致其設計逐年複 雜。在 1969 至 1979 年間，蘇撤大型柴油引擎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，當活塞進行往復運動時，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，俟其完成熱交換後，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，此冷卻管道 又非常接近受熱表面，故冷卻效果大增，其詳細結構斷面如圖 1-2 所示，
至於在最近這幾年，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。
探討引擎活塞熱負載的問題相當複雜，由於內容牽涉到垂直向的活塞 往復運動與燃燒室激烈的流場變化，所以早在過去就曾有人簡化此類複雜 的物理模式來初步研究之，Grassmann 和 Tuma [1]在 1979 年以實驗探討 於紊流模式下，一受脈動力之平滑管流的質傳特性，結果證明其 Sh. no.
(Sherwood number)相較一般穩態管流增加 250﹪，Kim [2]等人利用數值計 算，發現遭受脈動力影響的流場，其熱傳特性亦受其所施的脈動力大小而 有所差異，Mackley，Tweddle 和 Wyatt [3]利用脈衝流 (pulsatile flow) 流 經內有嵌入擋板的管道中，結果發現 Nu. no. (Nusselt number) 能有效地增 加，Patera 和 Mikic [4]利用擁有凹槽結構的管道來刺激內部流場的不穩定 性（hydrodynamics instability），結果發現當流場接近臨界雷諾數時，流體 的振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，Tatsuo Nishimura、Shingho Araka、Shinichiro Murakami 和 Yuji Kawamura [5]利用振盪流 (oscillating flow) 流經ㄧ正弦波型管道與弧型管道，發現管 壁的幾何結構對渦流型態影響不大，但是在高雷諾數，渦流在弧形管道中 (三維渦流)較正弦波型管道中(二維渦流)來的不穩定許多，Mackley 和 Ni [6]
利用振盪流(oscillation flow)流經安插週期性擋板的管道，結果發現軸向混 合 (radial mixing)效果相當良好，此外 Chang and Su、Hwang 和 Yangz [7]
利用充份展開流流經安插週期性助條(rib)結構的垂直向方形管道，實驗中 並搭配上往復狀態(reciprocating)的活塞運動，結果發現 Nu (reciprocating Nusselt number)/Nu0 (nonreciprocating Nusselt number)正比於 Re 值，並在 Pu (Pulsating number)值為 10.5 時 Nu/Nu0可達 165%，Fu et al.[8]在加熱壁 面上裝置移動薄塊，並藉由薄塊在加熱壁面上快速地往復運動，造成壁面 上邊界層的掃除，進而增加管道內的熱傳效率，其結果顯示熱傳最大可以 增加 98%。
對於如何改善活塞頂面溫度，在實際物理模式下廖[10]曾對於活塞頂 部高溫面下方加裝一冷卻流道如圖 1-3 所示，並採取二維 ALE 方法進行數 值分析，針對不同噴入氣流的雷諾數、活塞頻率和活塞振幅，比較其冷卻 熱傳效應，其結果顯示當雷諾數越高，工作流體所能帶走的熱量也就越多;
另外當活塞振動頻率越高時，隨時間的平均熱傳率也會提高，值得注意的 是當振幅增大時，循環週期內的最高熱傳率也會伴隨著增高，連[11]則是 延續廖[10]所作的計算，更進一步在冷卻渠道上加上一層多孔性介質以探 討其熱傳效應，結果顯示加入多孔性介質後的確能有效改善活塞頂部高溫 壁面的熱傳，連[11]歸納的結果為活塞開始振動時，在低浮力效應下的平 均紐塞數變化較大，但其對整體時間平均的紐塞數而言還是比高浮力狀況 下來的大，這也就說明浮力效應加強將會使冷卻熱傳效應降低，然而相關 的實驗文獻卻極少，故難以驗證廖[10]與連[11]理論的正確性。
所以此次實驗的重心將專注於活塞的實際物理模式，並分成兩個部分 來著手討論，首先進行流場可視化的部分，先選定適當流量的送風機構，
並設計輸送工作流體的管線配置，再將ㄇ型測試管道水平放置並給予振動 頻率與層流模式下的流量，等待機構運轉呈穩定狀態，並利用 Star-CD 軟 體事先計算出ㄇ型渠道的二維流場區域，再塗佈白脂油於直徑 5 微米的鎳 鉻絲表面上，爾後放置鎳鉻絲於欲觀察之二維區域，電源供應器提供電能 使鎳鉻絲加熱，使鎳鉻絲表面上的白脂油瞬間蒸發，蒸發後的乳白色香脂
油氣體即形成觀察流場可視化的煙線，藉由煙線的走向便可與廖[10]所做 數值計算流場兩相比較驗證，以完備活塞頂部的冷卻熱傳分析。
待完成流場可視化後，再討論往於復運動下ㄇ型管道頂部的熱傳效率 分析，機構大抵上還是沿用流場可視化的送風機構與輸送流體的管線配 置，風機於此供給紊流模式下的流量，並安置加熱片於渠道頂部作為加熱 面，於此所使用的加熱片元件是利用巴沙木與銅片來製作之，用途為估計 出渠道頂部強制對流所帶走的熱量值，實驗過程中會搭配上不同的振動頻 率與雷諾數，進而得到此渠道頂部的冷卻熱傳效率分析，最後再將實驗結 果與 Star-CD 所做出的數值計算相互驗證，以完備活塞頂部的冷卻熱傳分 析。
期望這次研究的實驗數據結果能有一定性分析，對於未來工業界實務 應用、活塞冷卻熱傳分析與高性能熱交換器設計等，能有一設計參考的依 據。
圖 1-1 歷年 Sulzer 柴油引擎動力輸出圖
圖 1-2 Suzler RTA90 機型之活塞冠斷面示意圖
（a）一般引擎示意圖 （b）加裝冷卻渠道示意圖
圖 1-3 引擎活塞機構示意圖
(1)汽缸燃燒室 (2)冷卻渠道 (3)活塞 (4)曲柄軸 (5)飛輪
(1)汽缸燃燒室 (2)活塞 (3)曲柄軸 (4)飛輪