PIV 觀測結果

為了破壞圓柱後方的尾流結構，避免流場存在著一固定頻率，首 先在尾流場中穩定注入一動量干擾，而注入之動量角度分別為 0˚、

30˚、60˚及 90˚，並且期望藉由穩定動量的注入能使分離點( separation point )延後發生，使流體能量能傳遞至圓柱後方降低前後壓差，進而 避免尾流結構的產生及流體引致結構震動的發生。同時探討尾流區的 寬度在受到動量注入後所產生的變化，在此定義的尾流區寬度所指的 是速度與上游之均勻流速相較之下突然減小、方向改變以及混亂跳動 的速度流場所包含的區域稱之。藉由觀察尾流區所影響的範圍可以瞭 解到在各種角度下注入動量，是否可以達到所預期破壞尾流結構的效 果。

無角度動量干擾

圖 3.2-17 為 Re=465 時在圓柱後方 0˚穩定注入動量的體積流率 Q=0.5L/min 之連續流場的運動情形。從圖 3.2-18 ~19 之瞬時流場圖中 可以發現，在經由穩定注入動量後雖然仍存在著由於速度梯度所造成 的尾流場，但由圖3.2-17 中可發現，尾流場中已無明顯之固定頻率以 及完整的渦漩出現。而當注入之動量較小時，尾流區的寬度並未因此 而產生顯著的變化，但隨著注入動量的增加(由 0.2 L/min 增加至 0.5 L/min)，尾流區的縱向寬度也由 Y = 2D 減少至 Y = 1D 左右。顯示注 入動量的多寡不但能破壞因尾流發生而產生的流場頻率，並且能改變 尾流場的結構，使分離點延後發生，讓上游之流體能量更能夠傳遞至 圓柱後方。而在注入動量為0.5 L/min 時，圖 3.2-19(b)中可發現在靠 近圓柱之尾流區外的流場因為受速度梯度的影響而分別出現向尾流 流動的趨勢，另外在靠近尾流區的水平速度也較小，隨著逐漸遠離尾 流區而恢復成上游速度。

有角度的動量干擾

圖3.2-20 ~ 21 為調整注入動量角度為 30˚時流場的運動情形。由 圖中可看到當動量注入後圓柱下方原本的均勻流場開始變為較圓柱 上方之流場混亂，同時隨著注入動量的增加，有角度的動量干擾阻擋 了原本從上游要通過圓柱下方的流體，使得圓柱下方的均勻流場形成

一傾斜的分布。另外，由於注入動量的增加，使得流場的運動更為混 亂，甚至造成部分質點出現不是平面的流動，形成未順著雷射光頁運 動的情形發生，使得在分析上產生誤差，原因是在流場影像中缺乏太 多成對的影像質點，這也就是在分析後出現一些過大的速度向量的主 要原因。從圖3.2-20(b)可以看出，在 X/D = 2 附近由於流場速度很低，

可以發現此處附近的流體會朝負 X-方向流動。而從動量注入對尾流 區範圍影響的部份來說，當注入的動量較小時(Q = 0.2 L/min)，尾流 區的縱向寬度與未注入動量時並無太大的差異，只是流場較為混亂而 已。而當注入之動量增加至Q = 0.5 L/min 時，由於動量干擾的影響，

使得尾流區的寬度在X/D = 2 時增加至 Y = 2.5D 左右。另外，在注入 動量Q = 0.5 L/min 時，圖 3.2-21(a)中可以發現在 X/D = 4，Y/D 介於 1 與 2 間的流場因受速度梯度的影響而有向下捲入形成渦漩的趨勢。

尾流區寬度增加的原因是因為圓柱向下旋轉 30˚注入動量後，使得原 本尾流區與下方均勻流之間的剪力層也跟著向下傾斜一角度，而傾斜 的剪力層內外的速度梯度也造成了尾流區寬度的擴大。

圖3.2-22 為繼續旋轉圓柱使動量注入為向下 60˚之連續流場運動 情形，首先從瞬時的流場圖 3.2-23~24 中可以看到，由於動量的注入 使得圓柱下方原本的均勻流場變的更為混亂，同樣的原因也是因為缺 乏太多成對的質點導致分析後出現一些數值過大的誤差向量。同時也

可以發現因為注入動量角度的增加，使得圓柱下方由上游流過來的均 勻流更加無法通過，尤其是在動量增加到 Q = 0.5 L/min 時，在圖 3.2-24(a)中只有在左下角可以看見一小部分來自上游的流動出現。尾 流的寬度也因為動量干擾的角度增加，而隨著剪力層向下傾斜而增 加。在圖3.2-23 (b)與圖 3.2-24 (b)中可以發現，尾流區的寬度在位置 在X /D = 2，注入動量為 0.2 L/min，時，大約是 Y = 3D，而當注入 動量增加至0.5 L/min 時，尾流區的寬度更是已經超過 3.5D。另外，

與注入動量角度為 30˚時類似的情形是，當注入動量增加，Q = 0.5 L/min，圖 3.2-24 (a)中在 X/D = 4，Y/D 介於 1 與 2 間的流場同樣會因 為速度梯度的增加而有向下捲入的情形發生。

圖 3.2-26~27 為旋轉圓柱使動量干擾至向下 90˚時流場的運動情 形，圖3.2-25 則為其連續之流場運動情形。由圖中可以清楚的看到因 為受到垂直向下的動量干擾影響，在分析的流場影像中，圓柱下方已 經完全沒有看到從上流方向流過的速度向量，取而代之的是更大範圍 的尾流場。由於垂直向下的動量干擾已經完全阻擋了由上游方向而來 的運動，因此，從圖3.2-26 (b)與圖 3.2-27 (b)中可發現，尾流之寬度 在X/D = 2 處都已經超過 3.5D，甚至在注入動量為 0.5 L/min 時，已 經到達4D 以上。並且尾流的寬度有隨著 X 方向而繼續擴展的趨勢，

在圖中可發現圓柱上方的均勻流場因為尾流寬度的發展而呈現一傾

斜的分布。另外在圖3.2-26 (a)~ 圖 3.2-27 (a)中，雖然在圖上無法有 效地清楚描述出流體的詳細運動情形，不過從圖中可以看到在尾流區 內的流體速度與上方之均勻流速相差很多，甚至在X/D = 4 處的流體 速度依然很低，顯示在這種動量干擾模式下，上游流體能量非常難以 傳遞至圓柱後方。 從圖 3.2-25 中也可發現流場中已無固定之流場特 徵頻率存在。

圖 3.2-28~圖 3.2-30 分別為在 Re=465 於圓柱後方 0˚、60˚與 90˚

時穩定注入動量之頻譜圖。圖3.1-28 中，在探針的位置上已無固定之 渦漩剝離頻率產生，與上述利用PIV 量測而得的結果符合，在圓柱後 方 0˚時注入動量可抑制渦漩剝離產生。而在 60˚與 90˚時穩定注入動 量後，尾流區內所產生的則是不固定的特徵頻率。

藉由上述之分析與觀察大致上可以歸納出穩定動量的注入在0˚

時，可以減小尾流所影響的區域範圍，但是當動量干擾的角度開始旋 轉增加時，因為注入的動量阻擋了從上游而來的流體，改變了剪力層 的角度，同時也增加了尾流所影響的區域。而在動量注入的情況下，

流場中不會有明顯固定頻率的渦漩剝離發生。

3.3 穩定動量吸出