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研究生:賴俊宏
研究生(外文):Lai, Chun-Hung
論文名稱:具背向階梯狀出口垂直風管之流場可視化數值研究
論文名稱(外文):Numerical Studies on the Flow Visualization of a VerticalWind Tube with Backward-Facing Step Outlet
指導教授:戴昌賢戴昌賢引用關係
指導教授(外文):Tai, Chang-Hsien
口試委員:戴昌賢徐子圭苗志銘戴昌聖賴正權
口試委員(外文):Tai, Chang-HsienHsu, Uzu-KueiMiao, Jr-MingTai, Chang-ShengLai, Cheng-Chuan
口試日期:2017-07-21
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:車輛工程系所
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:關斷風速背向階梯風能收集裝置槽切部有限體積法
外文關鍵詞:Cut-off Wind SpeedBackward-Facing StepWind CollectorGroove CuttingFinite Volume Method
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由於一般風機存在著先天上無法克服的限制,像是高風速回壓、關斷風速等等,因此本研究探討一種新型式的管式風能收集裝置,出口端為背向階梯狀幾何外型,使來流風在流經風管後,在階梯狀切口槽切處產生局部低壓區,並經由垂直風管之通道內與出口端的相對壓力差來產生拔風效應。
本研究採用有限體積法求解Navier-Stokes方程式,搭配Realizable k-ε紊流模組進行穩態流場分析,針對背向階梯垂直風管的出口槽切部做高度變化(0D~4D,D為風管直徑),探討其對於拔風效應的影響,並透過觀察流場現象來探討拔風效應的作用,以及利用不同入口風速條件(5m/s~12.5m/s),來探討不同入口風速與槽切高度之間的交互影響。
研究結果得知,增加槽切高度使垂直風管之出口處所產生的局部低壓區範圍變大,且低壓渦旋也會增大,因此產生更大的壓差,使拔風效果更好,比起沒有設置槽切部,質量流率提升了3倍以上,而且隨著入口風速增加,再搭配槽切高度增加時,質量流率會越大,但是在3D高度增加到4D的過程中,質量流率只有些微提升,此外也可以發現,最佳的槽切高度會隨著風速增加而增高,而在流場現象的探討中,發現背向階梯垂直風管存在著背向階梯流場及圓柱流場間的相互作用,當圓柱後方產生穩定對稱的渦流系統,其拔風效果較好。

關鍵字: 關斷風速、背向階梯、風能收集裝置、槽切部、有限體積法
In order to avoid these limitations, ex: backpressure or cut speed in high speed, this study carried out a new type of tubular wind collection device. The exit configuration is a backward-facing step geometric that causes the inflow through the duct and induced a local low pressure zone at the stepped incision groove. It is produced a pressure drop to induce the suction effect by the relative pressure difference between the channel and the outlet.
In this study, the finite volume method is applied to solve the Navier-Stokes equations, and the steady-state flow field analysis is carried out with the Realizable k-ε turbulence model. The height of the exit groove is changed (0D ~ 4D), and the effects of different inlet wind speed (5m/s ~ 12.5m / s) on the inlet were discussed.
The result shows that increasing the groove cutting height increases the local low pressure zone at the outlet, and the low pressure vortex increases. The mass flow rate is increased by more than 3 times, and as the entrance wind speed increases. For the 3D height increased to 4D process, the flow rate is only slightly increased. In addition, the optimal height of the groove is increased by the increase in wind speed. For the flowfield phenomenon, backward-facing step flow and cylinder flow are interaction. The suction effect is the best while the cylindrical rear produces a stable symmetrical vortex system.

Keywords: Cut-off Wind Speed,Backward-Facing Step,Wind Collector, Groove Cutting,Finite Volume Method
摘要 I
Abstract II
謝誌 IV
目錄 V
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號索引 X
第1章 前言 1
1.1 風力發電介紹 2
1.2 現行風機種類介紹 2
1.3基本流場介紹 9
1.3.1 圓柱渦旋流場 10
1.2.2 背向階梯流場 11
1.4 文獻回顧 12
1.5 研究目的與內容 15
第2章 研究方法 17
2.1數學模式 17
2.2統御方程式 18
2.3紊流模型 19
2.4數值方法 21
2.4.1 SIMPLE演算法 22
第3章 幾何構型、格點系統與邊界條件 26
3.1幾何構型 26
3.2格點系統 27
3.3邊界條件 30
3.4格點獨立性驗證 32
第4章 結果與討論 34
4.1 背向階梯出口槽切高度探討 34
4.2 背向階梯出口槽切部低壓探討 36
4.3 背向階梯垂直風管之速度探討 40
4.4 於不同入口風速之出口槽切部拔風效應探討 41
4.4.1 不同入口風速與不同槽切高度之速度流場分析 41
4.4.2 不同入口風速與不同槽切高度之質量流率探討 47
4.4.3 有效風能利用質量流率係數探討 55
4.4.4 於Re=1.69*106時,背向階梯垂直風管之質量流率探討 62
第5章 結論 70
5.1 未來研究方向 71
參考文獻 72
作者簡介 75
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