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研究生:溫國暉
研究生(外文):Guo-hui Wen
論文名稱:風剪趨動水體紊流邊界層水面高速條痕結構特徵之探討
論文名稱(外文):A Study on the Characteristics of High-Speed Streaks on the Water Surface of a Wind-Driven Aqueous Turbulent Boundary Layer
指導教授:蔡武廷
指導教授(外文):Wu-ting Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:120
中文關鍵詞:高速條痕條痕間距紊流邊界層流場視覺化
外文關鍵詞:high-speed streakstreak spacingturbulentboundary layerflow visualization
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本研究利用數值模擬資料,對風剪趨動紊流邊界層水面流場中的高速條痕結構進行檢視,並探討條痕間距的統計特徵。首先利用沿流向流速在跨流方向上的頻譜分布函數分析條痕平均間距;但由於受限於模擬水面的計算寬度,致使頻譜分布函數無法收斂,難以得到具代表性的條痕平均間距。接著依循Smith & Metaler(1983)的研究方法,利用追跡質點分布圖及水面沿流向高速等值區塊圖等流場影像,進行條痕辨識;這些流場視覺化影像皆顯現出數值模擬水面流場高速條痕結構的存在,其條痕間距的統計結果亦具特徵性。並依相同條痕辨識準則發展條痕自動辨識系統,對追跡質點分布點位、水面沿流向高速等值區塊點位及水面沿流向相對最高速點位等資料進行條痕辨識,並計算其條痕間距,亦得到具特徵性的統計結果:其條痕間距機率分布近似於對數常態分布曲線。上述各種流場影像(或點位)的篩析方式,條痕結構的辨識準則及辨識步驟,以及條痕間距的統計結果皆完整呈現在本研究中。本研究僅探討風剪趨動水面紊流邊界層中高速條痕結構的展現方式及其條痕間距的統計特徵,對其生成機制及演化行為並無深入探討,仍有待進一步研究。

The high-speed streaks, which occur on the water surface of a wind-driven aqueous turbulent boundary layer, are examined by use of the numerical data derived from the direct numerical simulation. The focus is on the characteristics of the transverse spacings between the streaks. In the first part of the thesis, spectral analysis is employed to the spanwise auto-correlation distribution of the streamwise velocity to estimate the average transverse spacing between the streaks. Being restricted by non-decaying property of the auto-correlation function which is attributed to the limited size of transverse domain, no distinct spectral characteristics can be deduced from the analyses. In the second part of the thesis, we determine the streak spacings from direct identification using the images sequence of the streamwise velocity as well as the surface-floating Lagrangian particles. Following the study of Smith & Metzler (1983), the high-speed streaks can be visually identified from the elongated distributions of the aggregated particles and also the high-level contours of the streamwise velocity. An automatic-detecting method is developed which can identify the streaks automatically. Streak spacings are then determined from the identified streak transverse coordinates. Visual identification, as in the study of Smith & Metzler (1983), is also conducted to compare with the auto-detected results. The distributions of the transverse spacings reveal dominant length scale and exhibit logarithmic-normal behavior.

1.前言
1.1 無滑移邊界紊流邊界層的條痕結構
1.2 風剪趨動自由液面紊流邊界層的條痕結構
1.3 研究目的及論文架構
2.數值模擬資料的初步檢視及相關背景知識介紹
2.1 數值模擬數據之產生
2.2 模擬流場流速資料
2.3 追跡質點點位資料
2.4 關於條痕研究的背景知識
3.以頻譜分析法推算條痕間距
3.1 Kline等(1967)研究回顧
3.2 數值模擬資料的頻譜分析
3.3 利用頻譜法分析條痕結構之結果與討論
4.利用水面影像推算條痕間距
4.1 Smith & Metzler(1983)研究回顧
4.2 人工辨識模擬水面條痕結構
4.2.1 利用追跡質點分布影像進行辨識
4.2.2 利用沿流向流速u等值區塊進行辨識
4.3 自動辨識模擬水面條痕結構
4.2.1 利用追跡質點點位進行辨識
4.2.2 利用沿流向流速u高速區塊點位進行辨識
4.2.3 利用沿流向流速u相對最高速點位進行辨識
4.4 利用影條資料分析條痕結構之結果整理與討論
5.結論與討論

[1] Ferrell, J. K., Richardson, F. M. & Beatty, K. O.
Ind. Engng Chem. 47, 29, 1955
[2] Kline, S. J., Reynolds, W. C., Schraub, F. A. & Runstadler, P. W.,The structure of turbulent boundary layers,
J. Fluid Mech.,30,741--773, 1967.
[3] Melville, K., R. Shear, & F. Veron,
Laboratory measurements of the generation and evolution of Langmuir circulations,J. Fluid Mech.,364,31--58, 1998.
[4] Runstadler, P. W., Kline, S. J. & Reynolds,
W. C. Dept Mech. Engng, Stanford University, Rep. MD--8, 1963
[5] Smith, C. R. & Metzler, S. P.,
The characteristics of low-speed streaks in the near-wall region of a turbulent boundary layer
J. Fluid Mech.,129,27--54, 1983.
[6] Tsai, W. T.,
A numerical study of the evolution and structure of a turbulent shear layer under a free surface,
J. Fluid Mech.,354, 239--276, 1998.
[7] Tsai, W. T.,
On the formation of streaks on wind-driven water surfaces,
Geophys. Res. Lett.,28,3959--3962, 2001.

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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