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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:簡賢明
研究生(外文):Hsian-Ming Chian
論文名稱:縱列與錯列雙圓柱尾流結構之實驗分析
論文名稱(外文):Experimental Analysis on Wake Characteristics behind Two Cylinders in Tandem and Staggered Arrangements
指導教授:郭正雄郭正雄引用關係
指導教授(外文):Cheng-Hsiung Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:縱列錯列雙圓柱空穴剪力層
外文關鍵詞:tandemstaggeredcavity modenarrow wakewide wake
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摘要
本研究係應用螢光染液釋放法進行流場可視化,以及雷射杜普勒測速儀量測速度及頻譜能量特性,探討在雷諾數Re=1000的條件下,縱向排列與交錯排列的雙圓柱尾流場之結構特性。從而深入瞭解控制圓柱在不同位置時,對於主要圓柱尾流場的影響,並依流場中特徵頻率之變化加以詳細分類。實驗結果可分為三大部分:
(1).當兩縱列圓柱(Yc/D=0)的流向間距為:(a)Xc/D=1.5~3.5時,兩圓柱間的流場形成平順剪力層。(b)Xc/D=3.5~5.5時,兩圓柱間的流場形成空穴剪力層結構。(c)Xc/D≧6.0時,兩圓柱間的流場恢復成為交替脫離的渦漩結構。
(2).當兩錯列圓柱(Yc/D=0.5)的流向間距為:(a)Xc/D=1.0∼3.0時,兩圓柱間的上、下方剪力層因偏向流的關係,形成合流剪力層結構。(b) Xc/D=3.5∼5.0時,兩圓柱間的流場形成上側為空穴剪力層結構,而下側為單一渦漩結構。(c)Xc/D≧5.5時,兩圓柱間的流場恢復成為交替脫離的渦漩結構。
(3).當兩錯列圓柱(Yc/D=1.0)的流向間距為:(a)Xc/D=1.0~4.0時,兩圓柱間形成窄域尾流場。(b) Xc/D≧4.5時,兩圓柱間的流場恢復成為交替脫離的渦漩結構。

The wake characteristics between two cylinders in tandem and staggered arrangements are investigated at a Reynolds number of 1000 by the flow visualization and the velocity measurement. Quantitative velocity measurement and quantitative flow visualization were performed by ways of LDA system and laser sheet technique. Some important results are concluded as follows:
(1) In case of tandem arrangement(Yc/D=0), the flow are classified into three different characteristics. They are: (a) smooth shear layers between two cylinders as the streamwise spacing (Xc/D) is between 1.5~3.5. (b) when the streamwise spacing (Xc/D) is around 4.0~5.5, the flow characteristic between two cylinders becomes the cavity mode. (c) as the streamwise spacing (Xc/D) is larger than 6.0, the flow structure between two cylinders becomes an alternate shedding vortex street.
(2) In staggered arrangement (Yc/D=0.5), three kinds of flow characteristics are found as follows: (a) as the streamwise spacing (Xc/D) ranges between 1.0 and 3.0, the impinging shear layer is stably deflected downward, interacting with the lower shear layer and shedding downstream. (b) as the streamwise spacing (Xc/D) is around 3.5~5.0, the impinging shear layer becomes cavity mode and the other free shear layer rolls up and sheds downstream. (c) as the streamwise spacing (Xc/D) is larger than 5.5, the flow structure between two cylinders becomes an alternate shedding vortex street.
(3) In staggered arrangement (Yc/D=1.0), two different flow characterics are concluded as follows: (a) as the streamwise spacing (Xc/D) is around 1.0~4.0, the deflected gap flow between two cylinders leads to the narrow wake behind the main cylinder and wide wake behind the control cylinder. (b) as the streamwise spacing (Xc/D) is larger than 4.5, the flow structures behind two cylinders become two independent vortex streets.

符號說明 1
第一章 緒論 3
1-1研究動機與目的 3
1-2文獻回顧 3
1-3本文結構 6
第二章 實驗設備與模型 7
2-1循環式水槽 7
2-2 速度量測系統 7
2-3 精密三維移行機構 8
2-4 圓柱模型與平行邊板支撐機構 8
第三章 實驗方法與步驟 9
3-1 流場可視化 9
3-2 FLDV速度量測 9
3-3 實驗參數 9
3-3-1 單一圓柱的基本數據 10
3-3-2 實驗條件與範圍設定 10
3-4 薄剪力層理論相關參數之計算 10
3-5 主頻速度擾動能量之計算 11
第四章 結果與討論 12
4-1 縱向排列(Yc/D=0.0) 12
4-1-1圓柱間流場結構之可視化 12
4-1-2改變中心間距對於兩圓柱間及其下游流場特徵頻
率之影響 14
4-1-3縱向雙圓柱具有不同中心間距(Xc/D)時,在中點
(x/Xc=0.5)截面上的沿流向平均速度分佈 15
4-1-4縱向雙圓柱具有不同中心間距(Xc/D)時,對不穩定波動能
量(Eu)之分析 17
4-2 錯列之圓柱對主要圓柱之尾流結構影響(Yc/D=0.5) 18
4-2-1交錯排列之流場可視化 18
4-2-2改變中心間距(Xc/D)對於主要圓柱流場特徵頻
率之影響 20
4-2-3錯列雙圓柱具有不同中心間距時,在中點截面
上的沿流向平均速度分佈 22
4-2-4錯列雙圓柱中心間距(Xc/D)改變時,對不穩定波動能
量之影響 23
4-3交錯排列之控制圓柱對主要圓柱之尾流結構影響(Yc/D=1.0) 24
4-3-1交錯排列之流場可視化 24
4-3-2不同中心間距對於兩圓柱間及其下游流場特徵頻
率之影響 25
4-3-3錯列雙圓柱具有不同中心間距時,在中點截面上
的沿流向平均速度分佈 27
4-3-4錯列雙圓柱具有不同中心間距時,不穩定波動能
量之分佈 27
4-4 實驗結果與前人文獻之比較 28
第五章 結論 30
第六章 建議與未來發展方向 31
參考文獻 32
附錄A 34
圖1-1:高雷諾數條件下(Re=5×103∼104),並向排列與縱向排列之
流場分類示意圖(文獻[1]) 35
圖1-2:高雷諾數下(Re=105),控制圓柱表面不同壓力係數分佈之流
場示意圖(文獻[2]) 35
圖2-1:低速封閉迴路循環式水槽及各部分名稱說明 37
圖2-2:自組式的FLDA量測系統各要件示意圖 38
圖2-3:圓柱模型示意圖 39
圖2-4:圓柱模型與模型平板配置圖 40
圖3-1:流場可視化之螢光染液釋放法配置圖 41
圖3-2:FLDA系統速度量測配置圖 42
圖3-3:圓柱排列座標與量測座標示意圖 43
圖4-1:雷諾數為Re=1000,縱向排列(Yc/D=0)的雙圓柱具有不同中
心間距(Xc/D)時,兩圓柱間之流場結構可視化分類示意圖 44
圖4-2:雷諾數為Re=1000,縱列雙圓柱之中心間距為Xc/D=1.5時,
兩圓柱間具有平順剪力層特性之流場可視化照片 45
圖4-3:雷諾數為Re=1000,縱列雙圓柱之中心間距為Xc/D=4.5時,
兩圓柱間具有空穴特性之流場可視化照片 46
圖4-4:雷諾數為Re=1000,縱列雙圓柱之中心間距為Xc/D=6.0時,
兩圓柱間具有交替脫離渦漩特性之可視化照片 47
圖4-5:雷諾數Re=1000,縱向排列(Yc/D=0)雙圓柱,不同中心間距
之流場頻率變化圖 48
圖4-6:雷諾數Re=1000,縱向排列雙圓柱(Yc/D=0),不同中心間距
與剪力層不穩定波動史卓赫數之關係圖 49
圖4-7:雷諾數為Re=1000,縱向排列雙圓柱具有不同中心間距
(Xc/D)時,在中點截面上(x1/Xc=0.5)的沿流向平均速度分佈
與單一圓柱者之比較圖 50
圖4-8:雷諾數Re=1000,縱向排列雙圓柱(Yc/D=0),不同中心間距
(Xc/D)時,在x1/Xc=0.5截面上的長時間沿流向平均速度分佈與
薄剪力層理論曲線比較圖 (流場為對稱空穴剪力層) 53
圖4-9:雷諾數為Re=1000,縱向排列雙圓柱具有不同中心間距(Xc/D)
時,在中點截面上剪力層波動主頻之速度擾動能量(Eu)分佈圖 55
圖4-10:雷諾數為Re=1000,交錯排列(Yc/D=0.5)雙圓柱具有不同中心
間距(Xc/D)時,兩圓柱間之流場結構分類示意圖 58
圖4-11:雷諾數為Re=1000,兩錯列圓柱間及其下游的流場特性之可
視化照片。此時,下游的控制圓柱位於(Xc/D,Yc/D)=(2.5,0.5)
,座標原點則位於上游主要圓柱的中心 59
圖4-12:雷諾數為Re=1000,兩錯列圓柱間及其下游的流場特性之可
視化照片。此時,下游的控制圓柱位於(Xc/D,Yc/D)=(4.0,0.5)
,座標原點則位於上游主要圓柱的中心 60
圖4-13:雷諾數為Re=1000,兩錯列圓柱間及其下游的流場特性之可
視化照片。此時,下游的控制圓柱位於(Xc/D,Yc/D)=(6.0,0.5)
,座標原點則位於上游主要圓柱的中心 61
圖4-14:雷諾數Re=1000,交錯排列(Yc/D=0.5)雙圓柱,不同中心間
距之流場頻率變化圖 62
圖4-15:雷諾數Re=1000,交錯排列雙圓柱(Yc/D=0.5),不同中心間
距與剪力層不穩定波動史卓赫數之關係圖 63
圖4-16:雷諾數為Re=1000,交錯排列雙圓柱具有不同中心間距(Xc/D)
時,在中點截面上(x1/Xc=0.5)的沿流向平均速度分佈與單一圓
柱者之比較圖 67
圖4-17:雷諾數Re=1000,交錯排列雙圓柱(Yc/D=0.5),不同中心間
距(Xc/D)時,在x1/Xc=0.5截面上的長時間沿流向平均速度分
佈與薄剪力層理論曲線比較圖
圖4-18-1:雷諾數Re=1000,交錯排列雙圓柱(Yc/D=0.5),不同中心間距
(Xc/D)時,在x1/Xc=0.5截面上對應主頻率之速度擾動能量(Eu)
分佈圖 69
圖4-18-2: 雷諾數Re=1000,交錯排列雙圓柱(Yc/D=0.5),中心間距
3.5~5.0時,在x1/Xc=0.5截面上對應空穴主頻率之速度擾動
能量(Eu)分佈圖
72
圖4-19:雷諾數為Re=1000,交錯排列(Yc/D=1.0)雙圓柱具有不同中心
間距(Xc/D)時,兩圓柱間之流場結構分類示意圖 74
圖4-20:雷諾數為Re=1000兩錯列圓柱間及其下游的流場特性之可
視化照片。此時,下游控制圓柱位於(Xc/D,Yc/D)=(1.0,1.0)
,座標原點則位於上游主要圓柱的中心 75
圖4-21:雷諾數為Re=1000兩錯列圓柱間及其下游的流場特性之可
視化照片。此時,下游控制圓柱位於(Xc/D,Yc/D)=(5.0,1.0)
,座標原點則位於上游主要圓柱的中心 76
圖4-22:雷諾數Re=1000,交錯排列(Yc/D=1.0)雙圓柱,不同中心間
距之流場頻率變化 77
圖4-23:雷諾數為Re=1000,錯列雙圓柱(Yc/D=1.0)具有不同中心間
距(Xc/D)時,在中間點截面上(x1/Xc=0.5)的沿流向平均速度
分佈與單一圓柱者之比較圖 78
圖4-24:雷諾數Re=1000,錯列雙圓柱(Yc/D=1.0)具有不同中心間距
(Xc/D)時,在中點截面上剪力層波動主頻之速度擾動能量
(Eu)分佈圖 81
圖4-25:文獻[1]與本文之縱列雙圓柱在兩圓柱間的流場變化整理圖 84
圖5-1:雷諾數Re=1000時,雙圓柱具有不同中心間距時,兩圓柱之
間的流場分類圖

1. Zdravkovich, M.M., “Review of Interference-Induced Oscillations in Flow Past Two Parallel Circular Cylinders in Various Arrangements” , Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1988, Vol.28, pp. 183-200.
2. Gu, Z., “On Interference between Two Circular Cylinders in Staggered Arrangement at High Subcritical Reynolds Numbers” , Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, Vol.80, pp. 287-309.
3. Gu, Z., “On Interference between Two Circular Cylinders at Supercritical Reynolds Number”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1996, Vol.62, pp. 175-190.
4. Strykowski, P. J., and Sreenivasan, K. R, “On the Formation and Suppression of Vortex Shedding at Low Reynolds Numbers”, Journal of Fluid Mechanics, 1990 Vol. 218, pp. 71-107.
5 Ozono, S. and Watanabe, K., “Flow Control by A Short Splitter Plate Asymmetrically Arranged Downstream of A Cylinder”, Reports of Research Insitute for Applied Mechanics, 1998, Vol. 44, No.116, pp. 11-17.
6 Igarashi, T., “Visualization of Flow Around a Bluff Body Controlled by a Rod Set Upstream”,8th International Symposium on Flow Visualization, 1998, pp. 101.1-101.6.
7 Maurel, S. and Texier, A., “Splitter Plate Effect on Bluff Body Vortex Formation”, 8th International Symposium on Flow Visualization, 1998, pp. 264.1-264.8.
8 Gharib, M. and Roshko,A., “The Effect of Flow Oscillations on Cavity Drag”, Journal of Fluid Mechanics, 1987, Vol.177, pp. 501-530.
9 Roshko, A., “On the Development of Turbulent Wakes from Vortex Streets”, NACA Rep.1191, 1954.
10 Bearman P. W. and Wadcock A. J., “The Interaction between A Pair of Circular Cylinders Normal to The Stream”, Journal of Fluids Mechanics, 1973, Vol.61, part 3, pp. 499-511.
11 Zdravkovich M.M., “Review of Flow Interference between Two Circular Cylinder in Various Arrangements”, Journal of Fluids Engineering, 1977, Vol.99, pp. 618-633.
12 Tang S. and Aubry N., “Suppression of Vortex Shedding Inspired by A Low-Dimensional Model”, Journal of Fluids and Structures, 1999, Vol.14, pp. 443-468.
13 林呈, 顏光輝, 郭正雄, “臨界淨間距比條件下並列雙圓柱尾流場特性之實驗研究-雷諾數效應” , 中國土木水利學刊 , 1995,Vol. 4, pp. 487-523.
14 黃士豪, “空穴中流場振盪之實驗分析與控制” , 國立中興大學機械研究所,碩士論文, 1998.
15 許智文, “具前緣振片之三角翼上方渦漩結構特性之實驗研究” , 國立中興大學機械研究所,碩士論文, 1996.
16 林蔚榮, ”應用PIV與流場可視化技術於近一平板之圓柱近域尾流流場特性探討” , 國立中興大學土木研究所,碩士論文, 2000.

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