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SRM、DSRM、SHM 及 OBSRM 流線軌跡探討

第五章 結果與討論

5.6 SRM、DSRM、SHM 及 OBSRM 流線軌跡探討

分別觀察圖

5.69~

5.72

,可以清楚發現,在

SHM

DSHM

混合

器中,質點軌跡較為規律,但

DSHM

之螺距(旋轉一圈

x

方向所走的 距離)明顯比

SHM

短,另在

SHM

混合器,質點軌跡已較呈現不規律 分佈,已有類似混沌的現象,而在

OBSHM

中,質點軌跡更是紊亂不 規則,此種層流中的紊亂現象,可使粒子移動變化迅速而無規則性,

可加速流體間之擴散,這也是造成

OBSHM

混合效率優於

SHM

主要原 因之ㄧ。

第六章 結論

1.

混合器之底部傾斜溝槽結構,可使流體產生橫向(與主流方向垂直)

速度,造成二次流流場,其可拉伸並扭曲流體介面,增加粒子間的擴

散。

2.

人字形混合器因具有一長一短相互垂直之溝槽外型,可產生一對旋轉 方向相反之旋轉流場,而直型傾斜溝槽只具單一傾斜溝槽外型,只能 產生單一旋轉流場,流體介面間之扭曲變化遠小於人字形結構,再加 上人字形具非對稱之溝槽相互變換,流體經由溝槽相互對流,更加速 其混合。

3.

混合器之幾何外型結構不同,將影響混合器之混合效能,由本篇之模 擬結果,較深的溝槽深度、較寬的溝槽寬度、

45°

溝槽傾斜角度將使 混合效果提升。

4.

以渦度強度之觀點,隨著溝槽深度加深、溝槽之寬度增加,則在

x

方向之渦度強度也就愈強,因此渦度愈強,可增進其混合性能。

5.

直型雙傾斜溝槽混合器之混合效率,因比單傾斜溝槽多了上壁面之溝 槽結構,可增加一旋轉方向相反之二次流場,因此可提升傾斜溝槽混 合器之混合效率。

6.

在單傾斜溝槽混合器上壁面增加傾斜角度相同且與下溝槽交錯排列 之溝槽雖可增加混合效率,但混合結果仍不及加寬溝槽寬度所得到 的混合效果佳。

7.於流道中至入傾斜阻塊,可增加橫向對流效應,並可造成流體擠壓 效果,縮短擴散路徑,因此提升混合效率。

8.

本篇討論之四種混合器型態,

OBSHM

結構在經過第一週期後,即可 得到不錯的混合效果(混合指數已低於

0.2

),而其餘三種結構之混合 指數則是隨著週期增加而慢慢遞減,因此,在低雷諾數及有限的混合

路徑下,

OBSHM

應是最佳的選擇。

參考文獻

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表5-1 中心截面在 X 方向渦度強度

表5-1(a) 不同溝槽深度沿 A’截面在 X 方向渦度強度

外型

(+) (+) (-) (-) (+) (+) (-) (-) (+) (+) (-) (-) A 0.007 0.053 0.254 0.241 0.133 0.103 0.16 0.1 0.14 0.098 0.414 0.16 B 0 0 0.274 0.484 0.08 0.064 0.116 0.07 0.08 0.064 0.39 0.18 C 0.011 0.068 0.252 0.165 0.139 0.11 0.18 0.12 0.15 0.105 0.432 0.14

溝槽區 管道區 溝槽+管道

tol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol

表5-1(b) 不同溝槽深度沿B’截面在X方向渦度強度 外型

(+) (+) (-) (-) A 0.212 0.146 0.067 0.049 B 0.185 0.119 0.043 0.034 C 0.227 0.161 0.078 0.055

管道區 Ωtol Ω Ωtol

表5-1(c) 不同溝槽寬度沿A’截面在X方向渦度強度 外型

(+) (+) (-) (-) (+) (+) (-) (-) (+) (+) (-) (-) A 0.007 0.053 0.254 0.241 0.133 0.103 0.16 0.1 0.14 0.098 0.414 0.16 D 0.003 0.063 0.114 0.099 0.068 0.045 0.057 0.39 0.071 0.05 0.171 0.07 E 0.001 0.026 0.519 0.454 0.122 0.095 0.308 0.2 0.123 0.093 0.827 0.31

溝槽區 管道區 溝槽+管道

tol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol

表5-1(d) 不同溝槽寬度沿B’截面在X方向渦度強度 外型

(+) (+) (-) (-) A 0.212 0.146 0.067 0.049 D 0.131 0.094 0.039 0.027 E 0.172 0.103 0.068 0.058

管道區 Ωtol Ω Ωtol

表5-1(e) 不同溝槽傾斜角度沿A’截面在X方向渦度強度 外型

(+) (+) (-) (-) (+) (+) (-) (-) (+) (+) (-) (-) A 0.007 0.053 0.254 0.241 0.133 0.103 0.16 0.104 0.14 0.098 0.414 0.16 F 0.009 0.061 0.251 0.304 0.128 0.125 0.165 0.128 0.136 0.117 0.417 0.2 G 0.006 0.048 0.154 0.207 0.076 0.085 0.103 0.088 0.082 0.08 0.257 0.13

溝槽區 管道區 溝槽+管道

tol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol Ω Ωtol

表5-1(f) 不同溝槽傾斜角度沿B’截面在X方向渦度強度 外型

(+) (+) (-) (-) A 0.212 0.146 0.067 0.049

F 0.197 0.161 0.062 0.057 G 0.116 0.102 0.038 0.04

管道區 Ωtol Ω Ωtol

A:Gd=0.42d;Gw=0.5d;θ=45°

B:Gd=0.2d;Gw=0.5d;θ=45°;C:Gd=0.6d;Gw=0.5d;θ=45°;D:Gd=0.42d;Gw=0.25d;θ=45°

E:Gd=0.42d;Gw=1d;θ=45°;F:Gd=0.42d;Gw=0.5d;θ=60°;G:Gd=0.42d;Gw=0.5d; θ=75°

圖1.1 混合器結構外型與分析結果

資料來源:參考文獻[3]

人字形混合器 三維蜿蜒形混合器

方波形混合器

圖1.2 混合器外型與模擬結果

資料來源:參考文獻[4]

Poincare map 外型結構

圖1.3 混合器外型與流場、質點分佈

資料來源:參考文獻[5]

圖1.4 混合器外型

資料來源:參考文獻[6]

圖1.5 不同雷諾數流場分佈

資料來源:參考文獻[7]

圖1.6 混合器外型與分析結果

資料來源:參考文獻[8]

圖1.7 混合器外型與濃度分佈圖

資料來源:參考文獻[9]

        資料來源:參考文獻[10]

圖1.8 外型示意圖  

  圖 1.9 外型示意圖 資料來源:參考文獻[12]

      資料來源:參考文獻[13]

圖1.11 雙層微結構          資料來源:參考文獻[14]

 圖1.10 混合器外型與原理  

混合器 1

混合器 2

 

圖1.12 微噴嘴 資料來源:參考文獻[15]

1 P

c

out

圖3.1 第一階段數值計算區域示意圖

P

c

in

圖3.2 第二階段數值計算區域示意圖

Inlet

Outlet

Outlet Inlet

Inlet Outlet

Inlet Outlet

X axial distance(cm)

σ

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0.6 Stroock et al.(2002)

grid cell=24X8 grid cell=35X10 grid cell=48X17 S ight ridge mixer P 2x103

(StandardDeviation)

trae=

圖5.1 SRM截面格點數與Stroock[3]實驗混合效率比較圖

X axial distance(cm)

σ

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Stroock et al.(2002) grid cell=24x8 grid cell=36x10 grid cell=48x17 Staggered herringbone mixer Pe=2x103

(StandardDeviation)

圖5.2 SHM截面格點數與Stroock[3]實驗混合效率比較圖

圖5.3 SRM 網格結構

圖5.4 SRM 週期性網格結構

流體流動方向 觀察方向

y

y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 Z

y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 Z

截面(L)速度分佈圖 截面(L)流線分佈 截面(L)濃度分佈

y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 Z

y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

截面(M)速度分佈圖 截面(M)流線分佈 截面(M)濃度分佈

圖5.6 SRM 混合器第一週期橫截面速度、流線、濃度分佈圖 (續)

X axial distane ( x100d)

Straight ridge mixer Pe=2x103

圖5.7 SRM 溝槽深度與混合效率關係圖

X axial distance ( x100d)

M Straight ridge mixer Pe=2x103

(MixingIndex)

圖5.8 SRM 溝槽寬度與混合效率關係圖

X axial distance ( x100d)

M

Straight ridge mixer Pe=2x103

Outlet

91.09d 104.38d 77.7d

91.09d 104.38d 77.7d

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.14 SRM (Gd =0.2d )各週期截面濃度分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.15SRM (Gd =0.42d )各週期截面濃度分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d) 圖 5.16 SRM (Gd =0.6d )各週期截面濃度分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d) 圖5.17 (Gd =0.2d ) 各週期截面質點分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Y

Z

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d) 圖 5.18(Gd =0.42d ) 各週期截面質點分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)圖5.19 SRM (Gd =0.6d ) 各週期截面質點分佈圖

A’ B’

Y

X

溝槽

A’:1/2 溝槽寬度位置 B’:相鄰 A'相對傾斜位置

圖5.20 傾斜截面示意圖

B’

A’ B

A

Y

溝槽 Y=1

X

圖5.21 傾斜截面中心點橫向速度位置圖

V(position A) Y=1d

Height(Channel+Groove)

-0.040 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.2

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Gd=0.2d Gd=0.42d(ref.) Gd=0.6d

V(position B) Y=1d

ChannelHeight

-0.02 0 0.02 0.04 0.06

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Gd=0.2d Gd=0.42d Gd=0.6d

圖5.22 不同溝槽深度傾斜中心截面中點橫向速度位置圖

y

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.29 SRM (Gw =0.25d ) 各週期截面濃度分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.30 SRM (Gw =1d )各週期截面濃度分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.31 SRM (Gw =0.25d ) 各週期截面質點分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d) 圖 5.32 SRM (Gw =1d ) 各週期截面質點分佈圖

V(position A) Y=1d

Height(Channel+Groove)

-0.050 0 0.05 0.1 0.15

0.5 1 1.5

Gw=0.25d Gw=0.5d Gw=1d

V(positionB) Y=1d

ChannelHeight

-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Gw=0.25d Gw=0.5d Gw=1d

圖5.33 不同溝槽寬度傾斜中心截面中點橫向速度位置圖

y

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.38 SRM (θ=60°)各週期截面濃度分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.39 SRM (θ=75°)各週期截面濃度分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d)

圖5.40 SRM (θ=60°) 各週期截面質點分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle11(118d) 圖 5.41 SRM (θ=75°) 各週期截面質點分佈圖

V(position A) Y=1d

Height(Channel+Groove)

0 0.05 0.1

0 0.5 1 1.5

=45

=60

=75

θ θθ

V(position B) Y=1d

ChannelHeight

-0.02 0 0.02 0.04

0 0.5 1

=45

=60

=75

θ θθ

圖5.42 不同溝槽傾斜角度傾斜中心截面中點橫向速度位置圖

y

圖5.47 DSRM 網格結構

圖5.48 DSRM 週期性網格結構

觀察方向

y

y

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle12(118d) 圖 5.51 DSRM 各週期截面濃度分佈圖

Inlet Cycle1(8d) Cycle2(18d) Cycle3(28d)

Cycle4(38d) Cycle5(48d) Cycle6(58d) Cycle7(68d)

Cycle8(78d) Cycle9(88d) Cycle10(98d) Cycle11(108d)

Cycle112(118d) 圖 5.52 DSRM 各週期截面質點分佈圖

X Axial distance (x100d)

σ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

double groove single groove

(StandardDeviation)

圖5.53 DSRM 混合器 V.S SRM 混合器混合效率比較圖

X axial distance (x100d)

M(Mixingindex)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Type A Double SRM Opt. SRM

圖5.54 各型態 SRM V.S 最佳化 SRM 混合效率比較圖

圖5.55 SHM 網格結構

圖5.56 SHM 週期性網格結構

y

y

Inlet Cycle1(13.34d) Cycle2(24.34d) Cycle3(37.68d)

Cycle4(51.02d) Cycle5(64.36d) Cycle6(77.7d) Cycle7(91.04d)

Cycle8(104.38d)

圖 5.59 SHM 各週期截面濃度分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Inlet Cycle1(13.34d) Cycle2(24.34d) Cycle3(37.68d)

Cycle4(51.02d) Cycle5(64.36d) Cycle6(77.7d) Cycle7(91.04d)

Cycle8(104.38d)

圖 5.60 SHM 各週期截面質點分佈圖

圖5.61 OBSHM 網格結構

圖5.62 OBSHM 週期性網格結構

y

y

Y

X

OBSHM 速度分佈圖(Ch=0.5d)

OBSHM濃度分佈圖(Ch=0.5d)

Y

X SHM 速度分佈圖Ch=0.5d

SHM 濃度分佈圖Ch=0.5d

圖5.65 第一週期 X-Y 平面速度及濃度分佈圖

Inlet Cycle1(13.34d) Cycle2(24.34d) Cycle3(37.68d)

Cycle4(51.02d) Cycle5(64.36d) Cycle6(77.7d) Cycle7(91.04d)

Cycle8(104.38d)

圖 5.66 OBSHM 各週期截面濃度分佈圖

Y

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

Z

Inlet Cycle1(13.34d) Cycle2(24.34d) Cycle3(37.68d)

Cycle4(51.02d) Cycle5(64.36d) Cycle6(77.7d) Cycle7(91.04d)

Cycle8(104.38d)

圖 5.67 OBSHM 各週期截面質點分佈圖

X axial distance (x100d)

M

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

SHM OBSHM

(Mixingindex)

圖5. 68SHM v.sOBSHM 混合效率比較

圖5.69 SRM 流線軌跡圖 圖 5.70 DSRM 流線軌跡圖

圖5.71 SHM 流線軌跡圖 圖 5.72 OBSHM 流線軌跡圖

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