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研究生:謝政達
研究生(外文):Cheng-Ta Hsieh
論文名稱:運用PIV與PTV量測技術於單一渦漩生成之研究
論文名稱(外文):An experimental study of the generation of a single columnar vortex by using PIV and PTV techniques
指導教授:朱錦洲
指導教授(外文):Chin-Chou Chu
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:渦漩
外文關鍵詞:PIVPTVvortex
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本研究成功地藉由兩平板以相同攻角往相反方向運動,而產生一穩定的單一柱狀渦漩,其中心於慣性座標下能停滯不動達數分鐘之久。吾人利用流場顯像技術、粒子影像測速儀及粒子影像追蹤法,觀察並量測兩平板尾緣起始渦漩合併成單一渦漩之過程及其後續之演變。首先,吾人分別利用水槽底部染料釋放法及近液表面染料釋放法,觀察等強度與不等強度之雙渦漩合併的現象。當等強度渦漩合併時,發現其合併現象類似中國之太極圖案;而不等強度渦漩合併時,較弱的渦漩將被捲入較強的渦漩。在定量量測方面係利用PIV量測技術,吾人先以PTV技術驗證PIV之準確性,獲得選取PIV運算區域畫素多寡之準則。藉由PIV大區域流場量測之功能,吾人可直接於一量測平面上,得到整體渦漩流場之速度與渦度分佈之時序變化。同時利用所獲得之流場資訊計算出環流量、渦焓等物理量之逐時變化。無論在等強度與不等強度渦漩合併的情況下,渦漩整體的環流量緩慢的衰退。反觀總渦焓量的變化,可劃分成三個階段:在雙渦漩互繞時其渦焓量急速衰減;在合併階段則衰減趨於平緩;當合併成單一渦漩後,渦焓量之衰減又逐漸加劇。本研究將有助於吾人對仿生流力中渦漩演變之掌握及物理機制之探討。
摘要…………………………………………………………………………i
目錄…………………………………………………………………………ii
符號說明……………………………………………………………………iv
圖表目錄……………………………………………………………………vi


第一章 導論…………………………………………………………1
1. 1研究動機………………………………………………………………1
1. 2粒子影像測速儀回顧…………………………………………………2
1. 3文獻回顧………………………………………………………………6
1. 4研究目的………………………………………………………………9
1. 5全文概述………………………………………………………………9

第二章 實驗設備及方法…………………………………………11
2. 1 實驗設備……………………………………………………………11
2. 1.1 實驗水槽………………………………………………………11
2. 1.2 單一渦漩產生器………………………………………………11
2. 1.3 顯影及周邊設備………………………………………………12
2. 1.4 實驗設備………………………………………………………13
2. 2 實驗方法……………………………………………………………14
2. 2.1 渦漩產生程序…………………………………………………14
2. 2.2 流場顯影法……………………………………………………15
2. 2.3 粒子影像測速儀………………………………………………16
2. 2.4 流場定量量測…………………………………………………17
2. 2.5 單一渦漩實驗程序……………………………………………18

第三章 理論分析……………………………………………………21
3. 1 單一渦漩生成理論…………………………………………………21
3. 2 粒子影像測速儀(PIV)理論…………………………………… 22
3. 2.1 雷射原理………………………………………………………22
3. 2.2 電子耦合攝影機原理…………………………………………23
3. 2.3 影像處理原理…………………………………………………23
3. 3 粒子追蹤測速法(PTV)理論…………………………………… 25
3. 3.1 影像擷取………………………………………………………25
3. 3.2 顆粒辨識………………………………………………………25
3. 3.3 Nearest影像方法……………………………………………26
3. 3.4 粒子軌跡測速法………………………………………………26
3. 3.5 軌跡運算原則…………………………………………………27
3. 4 重要物理量定義……………………………………………………27
3. 4.1 環流量…………………………………………………………27
3. 4.2 渦焓……………………………………………………………29

第四章 數據分析……………………………………………………31
4. 1 PIV最佳化處理……………………………………………………31
4. 1.1 資料分析………………………………………………………31
4. 1.2 研究方法………………………………………………………31
4. 1.3 確認方法………………………………………………………33
4. 1.4 延伸方法………………………………………………………34
4. 2 PTV分析處理………………………………………………………36
4. 2.1 資料分析………………………………………………………36

第五章 結果與討論…………………………………………………37
5. 1 PIV與PTV之驗證…………………………………………………37
5. 2合併過程……………………………………………………………38
5. 2.1 等強度渦漩合併過程…………………………………………39
5. 2.1 不等強度渦漩合併過程………………………………………41
5. 3 渦漩之演變…………………………………………………………42
5. 3.1單一渦漩初始條件之訂立……………………………………42
5. 3.2單一渦漩之時序變化…………………………………………43
5. 3.3非等對稱形渦漩之速度分佈…………………………………44
5. 3.4雙渦漩合併過程之位置變化…………………………………44
5. 3.5雙渦漩合併過程之渦度變化…………………………………45
5. 3.6雙渦漩合併過程之環流量變化………………………………45
5. 3.7雙渦漩合併過程之渦焓變化…………………………………45
第六章 結論………………………………………………………………47

參考文獻……………………………………………………………………50

圖表說明……………………………………………………………………52
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