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研究生:鄭宇雯
研究生(外文):Yu-WenCheng
論文名稱:共振擾動對液柱碎裂影響之實驗觀察
論文名稱(外文):An Experimental Observation of the Resonating Disturbance Effect on the Breakup of Liquid Jet
指導教授:袁曉峰袁曉峰引用關係
指導教授(外文):Xiao-Feng Yuan
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:航空太空工程學系
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:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:共振腔共振頻率壓力擾動液柱不穩定性液柱碎裂
外文關鍵詞:cavityresonance frequencythe instability of the liquid jetwave propagation
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本研究針對主動式擾動與共振腔之共振現象對於液柱碎裂之影響進行實驗觀察與探討;實驗主要以水為工作流體,配合壓電驅動元件與動態壓力量測器建立一套聲學量測系統,進一步觀察液體於管道中聲波傳遞現象(即壓力擾動振幅變化)。為驗證系統之聲學特性,本研究首先針對無共振腔之管道進行駐波實驗觀察;由實驗結果得知本系統可有效觀測管道於第一至第四模態之共振頻率(f= nC/4L, n=1、2、3、4)下之駐波現象。為進一步探討共振腔之放大效能,本實驗於管路末端裝置一固定長度(15mm)之圓形共振腔,並配合壓電驅動元件提供主動式擾動;於聲學理論中,當截面積發生改變時,其壓力波會產生一傳遞波繼續向共振腔傳遞及一反射波往回於管道中,當系統中不斷產生壓力波時,於管道中會產生一穩定之合成波並進入共振腔後,不斷於共振腔反射至重新達成一穩定之合成波。因此,為找出較佳之共振狀態,本研究裝置動態壓力量測器於管道末端及共振腔末端進行實驗量測,本研究亦改變管道截面積(直徑:8 mm、10 mm)與共振腔截面積(直徑:40 mm、60 mm)進行實驗探討。
實驗結果顯示,透過適當尺寸之管道與共振腔設計,於共振腔之共振頻率下,可使共振腔具有共振放大效果;其中,於本實驗之設定範圍內,管道截面積增加(直徑:8 mm、10 mm)及共振腔截面積增加(直徑:40mm、60 mm)皆可提升共振腔之共振效能。藉由高速攝影機之液柱影像觀察得知,於接近共振頻率(約49.6 kHz)之操作條件下,即使共振腔之壓力擾動振幅較小(0.1 psi~ 0.2 psi),但當共振腔之放大倍率大於1 時,液柱表面皆具有明顯之振盪現象。此外,除上述之結果外,實驗結果亦顯示當共振腔出口端之壓力擾動具有較大之振幅(0.2 psi~ 0.4 psi)時,即使放大倍率小於1,亦可影響液柱表面振盪。本研究之實驗觀察證明利用主動式壓力擾動並配合共振腔之設計可提升液柱本身之流體不穩定性,相信未來透過適當之共振腔最佳化設計後,可有效促進液柱之碎裂霧化。
This thesis research focuses on the effects of active and passive pressure resonating disturbance on the breakup of liquid jet. To achieve the purpose, a cavity with a resonance frequency of ~ 49.6 kHz is designed to connect at one end of water flowing tube, whereas a piezoelectric actuator is installed at the other end. Controlled by a function generator, the actuator provides active pressure disturbances. Dynamic pressure transducers with high sensitivity are used to observe the pressure variations at different positions of the system and a high speed camera is used to observe the pressure resonating effect on the breakup of liquid jet. With the cavity, the observed pressure variation along the tube is the result of the propagating waveform generated by the piezoelectric actuator and the reflected waveform from the cavity. ε, the ratio of the amplitude of the observed resonating pressure waveform in the cavity to that of the cavity inlet pressure waveform at the tube side, is used to define the amplification effect of the designed cavity. The effects of tube diameter, cavity diameter, and flow velocity on ε have been experimentally observed and analyzed.
In the experimental conditions of this research, ε is greater than unity when the actuator is tuned to near the designed resonating frequency of the cavity, and either increasing the areas of tube or cavity enhances ε. At the same time, the surface of the ejecting water jet from the cavity obviously oscillates. Neglecting the aerodynamic effects on the liquid jet by inspecting those low pressure (low velocity) jets, the amplitude of the liquid surface wave is more sensitive to the amplitude of the cavity outlet rather than that to ε at actuating frequencies near the resonance frequency. The research demonstrates that resonance cavity may enhance the flow instability or surface disturbance of liquid jet, which may improve the downstream atomization characteristics of liquid jet.
摘要 I
誌謝 VIII
表目錄 XII
圖目錄 XIII
符號表 XVI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 1
1.3.1 液柱碎裂機制 1
1.3.2 聲學模擬實驗 3
第二章 實驗設備 5
 共振腔體元件 5
 流量供應及控制系統 5
 壓力擾動輸入系統 6
 壓力量測系統 6
 影像觀測系統 6
第三章 研究方法與步驟 7
3.1 實驗工作流體 7
3.2 共振腔之聲學理論 7
3.2.1 共振頻率 8
3.2.2 共振腔之壓力擾動強度 9
3.2.3 環境壓力 11
3.3 壓力波共振現象之實驗分析方法 12
3.4 液柱影像之觀察 13
第四章 實驗結果與討論 14
4.1 管道駐波之實驗觀察 14
4.2 共振腔駐波之實驗觀察 16
4.3 管道與共振腔截面積之影響 18
4.3.1 共振腔截面積改變之影響 18
4.3.2 管道截面積改變之影響 20
4.4 環境壓力之影響 22
4.5 液柱之影像觀察 24
4.5.1 放大倍率對液柱之影響 24
4.5.2 出口壓力擾動量對液柱之影響 25
第五章 結論與未來工作 27
5.1 結論 27
5.2 未來工作 28
 液體物理性質對共振現象之影響 28
 共振腔之幾何構型對共振現象之影響 28
 流體速度對共振擾動之影響 28
參考文獻 29
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