近年來機械元件加工技術的精進以提升能源效率，但相對來說機械元件所需承受的 熱負載也是不斷增加，當元件處於高溫高壓下會縮短其使用的年限並且容易發生破損的 現象，為解決此現象所衍生的元件損害與故障，機構熱傳效率的提昇一直是重要的研究 課題。
舉例來說，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，引擎結構複雜，維修不易，也會使維修營運成本增加。
再者，世界各國都面臨嚴重的能源危機，除了致力於發展替代能源之外，節約能源 也是一個重要的解決方法。對於船舶引擎來說，不斷攀升的石油價格增加燃油成本的花 費，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，其活塞的冷卻大多採用孔道式冷卻系統。圖 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，待其完成熱交換後，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，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了與 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，形成脈衝流
（pulsatile flow）。
在過去，Grassmann and Tuma［1］在 1979 年以實驗量測一受脈動力之平滑管流，
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﹪。Patera and Mikic［2］指出此現象是因為流體受脈動力影響，自壁面 處產生分離（separation）及回流（flow reversal）兩種混合（mixing）現象，進而增加 了流場的不穩定性（hydrodynamics instability）所造成的效果。Kim［3］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［4］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升。而自 60 年 代即有許多有關此方面的研究，例如 Webb［5］以實驗量測來探討於平滑管中加裝凸 起物對熱傳性能的影響，結果證明其熱傳效果都遠比平滑管來得好。Han［6］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（local Stanton number）可增加至平滑管的 150％ 至 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。Mackley、Tweddle and Wyatt［7］利用脈衝流流經內有嵌入擋板的 管道中，結果發現 Nu（Nusselt number）跟穩流流經光滑的管壁相比明顯地增加，
Mackley and Ni［8］利用脈衝流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，Chang［9］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%。
對於如何改善活塞頂面溫度，在實際物理模式下廖［10］在活塞頂部高溫面下方加 裝一冷卻流道，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 塞振動頻率，活塞振動幅度，比較其熱傳效益。其結果顯示當雷諾數愈高，流體可以帶 走愈多的熱；另外當活塞振動頻率愈高時，隨時間的平均熱傳率會增高；當振幅增高時，
一個週期內的最高熱傳率會增高。連［11］則是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。
余［12］將廖［10］的模擬進行實際上驗證，以活塞無因次振動頻率 0.01、0.05、
0.1 與噴入氣流雷諾數 700、800、900 進行渠道壁面熱傳分析，推論渠道內部流場存在 一個自然頻率，在此頻率下可以大幅度的提升頂部熱傳。
本研究主要以延續余［12］之實驗為主，將其設備稍微修改以利於進行較大範圍之 實驗參數。首先進行流場可視化來觀察當渠道振動時流場瞬間變化情形，並與廖［10］
所作的數值計算流場相互驗證。可視化是採用放煙線法（Smoke-Wire Techniques），
此方法是在測試段中放置一條塗上白脂油的鎳鉻絲，利用電源供應器通以電流，因其內
部電阻會發熱而使白脂油揮發形成煙，故可以藉由煙線走向來觀察流場變化情形。
接下來針對廖［10］之模擬進行實際驗證，首先架設一ㄇ型渠道，其頂部置於由步 進馬達所構成的往復運動機構上來進行往復運動，渠道頂面為加熱區，加熱元件是由巴 沙木與銅片製作而成的，可以用來計算該流場的紐塞數（Nusselt Number），進而得知 壁面熱傳效率，實驗中會搭配不同的振動頻率和噴入氣流雷諾數，探討其相互關係，最 後再將實驗結果與數值模擬相互驗證，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能有一定性分析，對於未來工業界實務應用上有所幫助，
並提供活塞內部冷卻系統設計的參考。
圖 1 Suzler RTAT6 柴油引擎之活塞冠斷面示意圖［9］
圖 2 歷年 Sulzer 柴油引擎動力輸出圖［9］