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研究生:周東寬
研究生(外文):Dong-Kwan Chou
論文名稱:二維斜坡顆粒流之輸送帶實驗與分析
論文名稱(外文):Experimental study of slowly granular flow on the two-dimensional inclined Conveyor Belt
指導教授:周憲德周憲德引用關係
指導教授(外文):Hsien-Ter Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:粒子溫度分層現象顆粒流
外文關鍵詞:Granular temperatureStratification phenomenonGranular flow
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摘要
本研究主要是使用輸送帶設備帶動顆粒來進行實驗、並利用影像擷取技術及Voronoï影像分析法來研究二維顆粒之流動行為。
主要分非均勻流與均勻流兩方面來探討,在非均勻流部分,是以其幾何特性為分析方向,並藉由四種不同傾斜坡度(0°、5°、10°、15°)條件下之向量關係及高程剖面關係來瞭解其中之奧妙;均勻流部分,則是用四種不同高度之條件下,以速度分佈、擾動速度、粒子溫度、剪應變率、Dd值等物理量為主要探討項目,最後再說明如何將顆粒流分成三段大小不一的流層。
Abstract
This study performs experimental work on the slow granular flow on the conveyor belt. The Voronoï image algorithm is used to study the mobile behavior of two-dimensional particles. The flow patterns of the granular flows are categorized into nonuniform flow, and uniform flow, respectively.
In the nonuniform flow regime, the geometry characteristics at four slopes(i.e. 0°,5°,10°,15°),the relationship between velocity vectors and the slope configuration are examined.; In the uniform flow regime, the velocity distribution, the velocity fluctuation, granular temperature and the strain rate are evaluated. The related physical quantity are discussed as well. The stratification of flow phenomenon of three different layers, i.e. free shear layer on top, forced shear layer at bottom and plug zone in between, is mainly a function of particle thickness.
目 錄
頁次
摘 要I
ABSTRACTII
目 錄III
圖 目 錄VI
表 目 錄XI
符號表XII
第一章 緒 論1
1.1 研究動機1
1.2 研究目的1
1.3 顆粒流之簡介1
1.3.1 慢顆粒流與一般流體之差異性2
1.4 研究方向2
1.5 論文架構3
第二章 文獻回顧5
2.1 顆粒流的實驗配置5
2.1.1傾斜式瀉槽試驗5
2.1.2 振動床試驗5
2.1.3 滾筒瀉槽試驗6
2.1.4 循環式水槽試驗7
2.1.5輸送帶試驗7
2.1.6其他8
2.2.1 Voronoï介紹與應用8
2.2.1 Voronoï diagrams8
2.2.2 何謂Voronoï9
2.2.3 Voronoï在影像處理之應用10
第三章 實驗規劃與方法12
3.1實驗設備12
3.2 實驗方法與步驟13
3.2.1 流場排列結構試驗13
3.2.2 外觀試驗14
3.3 影像分析15
3.4 實驗誤差分析18
第四章 結果分析與討論19
4.1 非均勻顆粒流之幾何特性探討19
4.1.1 L_V_Θ三者之關係19
4.1.2 _V_Θ三者之關係19
4.1.3高程剖面圖20
4.1.4 向量之流場剖面圖20
4.2 均勻顆粒流之流場探討21
4.2.1 速度剖面分析21
4.2.2 剪應變率分析22
4.2.3 擾動速度分析23
4.2.4 粒子溫度分析24
4.2.5 DD值分析25
4.3 結構組織分層之探討25
4.3.1 組織分層之計算方法25
4.3.2 分層之定義與厚度分析26
第五章 結論與建議27
5.1結論27
5.2建議28
參考文獻29
附錄85

圖 目 錄
頁次
圖1.1.1南投縣水里鄉郡坑村4
圖1.1.2苗栗縣三義鄉火炎山4
圖2.1.1 Voronoï diagrams 示意圖36
圖2.1.2 Voronoï細胞成長過程36
圖2.1.3 Delaunay triangulation示意圖37
圖2.1.4 Voronoï 1-star示意圖37
圖2.1.5差排之示意圖38
圖2.1.6四種狀態之二維融化機制38
圖3.1.1(a)操作版面示意圖 39
圖3.1.1(b)輸送帶渠槽示意圖39
圖3.1.2 輸送帶設備示意圖40
圖3.1.3 橡膠輸送帶幾何尺寸放大圖40
圖3.2.1 實驗之輔助器材41
圖3.2.2 外觀試驗示意圖41
圖3.3.1 [initseq]指令視窗展示圖42
圖3.3.2 [batch]指令視窗展示圖42
圖3.3.3單張顆粒之範圍確認43
圖3.3.4連續兩張位置圖之位移向量圖43
圖3.3.5 [batch3]視窗展示圖44
圖3.3.6(a)未經處理過之為移向量比對圖44
圖3.3.6(b)經處理過之為移向量比對圖45
圖3.3.7 Voronoï鄰邊關係示意圖45
圖3.3.8 [batch4]視窗展示圖46
圖3.3.9 Dd值隨深度之剖面圖46
圖4.1.0 均勻流與非均勻流之範圍界定圖47
圖4.1.1定義參數之相對位置圖47
圖4.1.2 L _ V _θ關係圖48
圖4.1.3 ψ_V_θ關係圖48
圖4.1.4 θ+ψ與V之關係圖49
圖4.1.5 θ=0°下之高程剖面圖49
圖4.1.6 θ=5°下之高程剖面圖50
圖4.1.7 θ=10°下之高程剖面圖50
圖4.1.8 θ=15°下之高程剖面圖51
圖4.1.9 θ=0°, ub=4.27之位移向量圖51
圖4.1.10 θ=0°, ub=6.50之位移向量圖52
圖4.1.11 θ=0°, ub=10.06之位移向量圖52
圖4.1.12 θ=0°, ub=14.68之位移向量圖53
圖4.1.13 θ=0°, ub=16.10之位移向量圖53
圖4.1.14 θ=5°, ub=4.27之位移向量圖54
圖4.1.15 θ=5°, ub=6.50之位移向量圖54
圖4.1.16 θ=5°, ub=10.06之位移向量圖55
圖4.1.17 θ=5°, ub=14.68之位移向量圖55
圖4.1.18 θ=5°, ub=16.10之位移向量圖56
圖4.1.19 θ=10°, ub=4.27之位移向量圖56
圖4.1.20 θ=10°, ub=6.50之位移向量圖56
圖4.1.21θ=10°, ub=10.06之位移向量圖57
圖4.1.22θ=10°, ub=14.68之位移向量圖57
圖4.1.23θ=10°, ub=16.10之位移向量圖57
圖4.2.1 N=2871,水平速度剖面圖58
圖4.2.2 N=2871,無因次水平速度剖面圖58
圖4.2.3 N=3659,水平速度剖面圖59
圖4.2.4 N=3659,無因次水平速度剖面圖59
圖4.2.5 N=4151,水平速度剖面圖60
圖4.2.6 N=4151,無因次水平速度剖面圖60
圖4.2.7 N=5485,水平速度剖面圖61
圖4.2.8 N=5485,無因次水平速度剖面圖61
圖4.2.9 N=2871,剪應變率剖面圖62
圖4.2.10 N=3659,剪應變率剖面圖62
圖4.2.11 N=4151,剪應變率剖面圖63
圖4.2.12 N=5485,剪應變率剖面圖63
圖4.2.13 N=2871,無因次剪應變率剖面圖64
圖4.2.14 N=3659,無因次剪應變率剖面圖64
圖4.2.15 N=4151,無因次剪應變率剖面圖65
圖4.2.16 N=5485,無因次剪應變率剖面圖65
圖4.2.17 N=2871,水平擾動速度剖面圖66
圖4.2.18 N=3659,水平擾動速度剖面圖66
圖4.2.19 N=4151,水平擾動速度剖面圖67
圖4.2.20 N=5485,水平擾動速度剖面圖67
圖4.2.21 N=2871,水平擾動速度與剪應變率之無因次關係圖68
圖4.2.22 N=3659,水平擾動速度與剪應變率之無因次關係圖68
圖4.2.23 N=4151,水平擾動速度與剪應變率之無因次關係圖69
圖4.2.24 N=5485,水平擾動速度與剪應變率之無因次關係圖69
圖4.2.25 N=2871,垂直擾動速度剖面圖70
圖4.2.26 N=3659,垂直擾動速度剖面圖70
圖4.2.27 N=4151,垂直擾動速度剖面圖71
圖4.2.28 N=5485,垂直擾動速度剖面圖71
圖4.2.29 N=2871,垂直擾動速度與剪應變率之無因次關係圖72
圖4.2.30 N=3659,垂直擾動速度與剪應變率之無因次關係圖72
圖4.2.31 N=4151, 垂直擾動速度與剪應變率之無因次關係圖73
圖4.2.32 N=5485,垂直擾動速度與剪應變率之無因次關係圖73
圖4.2.33 N=2871,水平擾動速度與垂直擾動速度之關係圖74
圖4.2.34 N=3659,水平擾動速度與垂直擾動速度之關係圖74
圖4.2.35 N=4151,水平擾動速度與垂直擾動速度之關係圖75
圖4.2.36 N=5485,水平擾動速度與垂直擾動速度之關係圖75
圖4.2.37 N=2871,粒子溫度剖面圖76
圖4.2.38 N=3659,粒子溫度剖面圖76
圖4.2.39 N=4151,粒子溫度剖面圖77
圖4.2.40 N=5485粒子溫度剖面圖77
圖4.2.41 N=2871, 無因次化之粒子溫度與剪應變率關係圖78
圖4.2.42 N=3659, 無因次化之粒子溫度與剪應變率關係圖78
圖4.2.43 N= 4151, 無因次化之粒子溫度與剪應變率關係圖79
圖4.2.44 N=5485, 無因次化之粒子溫度與剪應變率關係圖79
圖4.2.45 N=2871,Dd值之剖面圖關係圖80
圖4.2.46 N=3659,Dd值之剖面圖關係圖80
圖4.2.47 N=4151,Dd值之剖面圖關係圖81
圖4.2.48 N=5485,Dd值之剖面圖關係圖81
圖4.3.1 流速剖面示意圖82
圖4.3.2 N=3659,分層厚度與速度關係圖82
圖4.3.3 N=4151,分層厚度與速度關係圖83
圖4.3.4 N=5428,分層厚度與速度關係圖83
圖4.3.5三組實驗之平均厚度關係圖84

表 目 錄
頁次
表3.1顆粒的物理特性32
表4.1外觀試驗之實驗參數32
表4.2流場結構排列試驗之實驗33
表4.3 Hw與L之量測資料值34
表4.4 Hp與Lw之量測資料值35

符號表
符號解 釋因次
D粒徑[L]
Dd缺陷密度值
h高度[L]
H高度[L]

表面擾動層之厚度[L]

塊體滑動層之厚度[L]

邊界剪力層厚度[L]

邊壁處之平均高度[L]
L離邊壁之距離[L]

動量[L3/T2]

單位流量[L2/T]
Ts粒子溫度[L2/T2]
ux方向速度[ L/T ]

x方向速度擾動量[ L/T ]
ub(u_belt)輸送帶速度[ L/T ]
vy方向速度[ L/T ]

y方向速度擾動量[ L/T ]
wz方向速度[ L/T ]

z方向速度擾動量[ L/T ]
ψ坡址處之夾角[degree]
θ傾斜坡度[degree]
參考文獻
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