本研究利用不同紊流產生器產生不同紊流強度於管道背階入口，實驗探討紊流強度在三維背階流之流場與熱傳特性。測試管道使用背階高度1.75cm，展弦比為4的壓克力管道，以圓柱體放置於風洞管道入口作不同排列方式，形成4柱、6柱紊流產生器與無紊流產生器下探討紊流強度對流場與熱場影響。流場方面，選取雷諾數500至17000，包含層流至紊流數種流速，使用都卜勒雷射測速儀進行背階管道內再接觸位置、迴流區流場、邊界層內對流效應、二次流效應與紊流效應等量側；熱場方面，製作一7.2×20 cm2之加熱板，並埋設T型熱電偶線量測溫度。
  研究顯示，背階管道內再接觸長度變化為層流時，隨雷諾數增加而增加，過渡流時隨雷諾數增加而減少，但紊流時不隨雷諾數增減，其中以6柱紊流產生器的紊流強度最大，並使得過渡流與紊流提早發生、再接觸長度變小，且加裝紊流產生器後使得流場中迴流區更為明顯。在熱傳方面低雷諾數下，加裝6柱紊流產生器使得整體熱傳效應皆有所提升；高雷諾數時，加裝紊流產生器使得迴流區內熱傳效應有明顯的增益現象。近壁面流場中，主要為紊流效應主導熱傳分佈，僅有在低雷諾數下，迴流區外由對流效應主導。

The research experimentally investigates the effects of turbulence intensity on the flow and heat transfer characteristics in three-dimensional backward-facing step flows. A wind tunnel system is used to generate a uniform flow at an inlet duct. Another test duct of different height is connected to the inlet duct to form a backward-facing step duct of aspect ratio 4, expansion ratio 1.33, and step height of 1.75 cm. A 0.1 mm thick stainless steel foil is attached to the step wall to serve as the heat transfer surface. Cylinder-type turbulators are placed inside the inlet duct, and used to generate different levels of turbulence on the inlet free-stream. The Reynolds number are between 500 and 17000, which cover the laminar, transitional and turbulent flows. The velocity and temperature measurements were conducted using laser Doppler velocimetry, and Type-T thermocouples, respectively. Specifically, the measurements include (1) the reattachment length, and the flow structures at different duct cross-sections downstream of the step wall; (2) the flow characteristics near the heat transfer surface, such as the convective mean velocity, the secondary flow and the turbulent kinetic energy; (3) the heat transfer distributions on the heat-transfer surface. Results of this study show that the reattachment length increases with Reynolds number in the laminar flow regime, decreases with Reynolds number in the transitional flow regime, and almost remains constant with Reynolds number in the turbulent flow regime. The turbulators, especially the six-cylinder turbulator, much reduce the reattachment length, and the Reynolds numbers for the onset of the transitional and turbulent flows. The study also indicates that the turbulators generally increase the convective mean velocity, and turbulent kinetic energy near the heat transfer surface, and causes the increase in heat transfer rate. The flow turbulent kinetic energy plays the most important role in heat transfer distributions.

摘要………………………………………………………………………Ⅰ
目錄………………………………………………………………………V
圖表目錄……………………………………………………………VIII
符號說明…………………………………………………………X VIII

第一章、	緒論…………………………………………………………1
1-1	研究動機…………………………………………………………1
1-2	文獻回顧…………………………………………………………3
1-3	研究目的…………………………………………………………9

第二章、	實驗設置及量測儀器………………………………………11
2-1	實驗設備…………………………………………………………11
2-1-1	自由流風洞.………………………………………………11
2-1-2	流場測試段……………………………………………13
2-1-3	熱場測試段………………………………………………14
2-1-4	紊流產生器………………………………………………16
2-2	實驗量測儀器…………………………………………………17
      2-2-1 雷射都卜勒測速儀………………………………17
      2-2-2 三維向精密位移系統………………………………21
      2-2-3 熱電偶線及I/O tech溫度擷取系統……………22

第三章、	實驗原理與量測方法………………………………31
    3-1 實驗原理………………………………………………………31
  3-1-1 熱傳導……………………………………31
  3-1-2 熱對流………………………………………………31
  3-1-3 熱輻射………………………………………………32
 3-2 熱傳基本參數…………………………………………………34
 3-3 應用原理……………………………………………………38
 3-3-1 流場計算原理……………………………………………38
 3-3-2 熱場計算方法……………………………………………40
 3-4 量測方法……………………………………………………42
  3-4-1 流場量測………………………………………42
 3-4-2 熱傳量測…………………………………………………45

第四章、	實驗結果討論…………………………………………………50
     4-1 背階入口條件分析………………………………………50
     4-2 再接觸長度探討………………………………………………51
        4-2-1 軸向再接觸位置………………………………………51
        4-2-2 徑向再接觸位置…………………………………………52
      4-3 背階入口流場特性探討……………………………………53
      4-4 穩態流場量測………………………………………………54
      4-5 近壁面流場量測…………………………………………56
         4-5-1 軸向速度………………………………………………56
         4-5-2 二次流效應……………………………………………58
         4-5-3 紊流效應………………………………………………59
      4-6 近壁面徑向流場量測………………………………………60
         4-6-1 對流效應………………………………………………60
         4-5-2 二次流效應……………………………………………60
         4-5-3 紊流效應………………………………………………61
      4-7 熱傳量測分析………………………………………………62
      4-8 近壁面流場與熱傳之關聯…………………………………65
第五章、	結論與未來方向……………………………………………159
參考文獻…………………………………………………………………161

圖　表　目　錄
圖1-1流體流經背階管道流場示意圖…………………………………10
圖2-1自由流管道………………………………………………………24
圖2-2背階管道立體圖…………………………………………………25
圖2-3熱測試管道與加熱板示意圖……………………………………26
圖2-44柱紊流產生器示意圖與剖面圖…………………………………27
圖2-56柱紊流產生器示意圖與剖面圖…………………………………28
圖2-6雷射都卜勒測速儀示意圖……………………………………29
圖2-7熱電偶線分布圖…………………………………………………30
圖3-1X-Y(Z=0)斷面速度量測位置示意圖……………………………46
圖3-2X-Y(Z=23mm)斷面速度量測位置示意圖…………………47
圖3-3近壁面(Z=0與Z=23mm)速度量測示意圖………………………48
圖3-4溫度量測位置示意圖……………………………………………49
圖4-1空氣流流經6柱紊流產生器，管道背階入口無因次V-W速度
向量分佈圖(Ud=4.75m/s)……………………………………66
圖4-2三種測試流況下紊流強度與雷諾數關係圖…………………67
圖4-3三種測試流況下管道中央(Z/Wd=0)再接觸處長度與雷諾數關
係圖………………………………………………………………68
圖4-4-a自由流下再接觸處長度隨徑向變化圖………………………69
圖4-4-b4柱紊流產生器下再接觸處長度隨徑向變化圖……………70
圖4-4-c6柱紊流產生器下再接觸處長度隨徑向變化圖……………71
圖4-5-a自由流軸向平均速度(U/Umax)隨(Y/s)分佈圖(Z/Wd=0) ……72
圖4-5-b自由流軸向平均速度(U/Umax)隨Z/Wd分佈圖(Y/s=2.5) ……73
圖4-5-c4柱紊流產生器軸向平均速度(U/Umax)隨(Y/s)分佈圖
(Z/Wd=0) ………………………………………………………74
圖4-5-d4柱紊流產生器軸向平均速度(U/Umax)隨Z/Wd分佈圖
(Y/s=2.5) ………………………………………………………75
圖4-5-e6柱紊流產生器軸向平均速度(U/Umax)隨(Y/s)分佈圖
(Z/Wd=0) ………………………………………………………76
圖4-5-f6柱紊流產生器軸向平均速度(U/Umax)隨Z/Wd分佈圖
(Y/s=2.5) ………………………………………………………77
圖4-6-a層流雷諾數(Re=980)下三種流況軸向平均速度(U/Umax)隨(Y/s)分佈圖(Z/Wd=0) …………………………………………78
圖4-6-b層流雷諾數(Re=980)下三種流況軸向平均速度(U/Umax)隨(Z/Wd)分佈圖(Y/s=2.5) ………………….……………………79
圖4-6-c過渡流雷諾數(Re=3360)下三種流況軸向平均速度(U/Umax)隨(Y/s)分佈圖(Z/Wd=0) …………………………………………80
圖4-6-d過渡流雷諾數(Re=3360)下三種流況軸向平均速度(U/Umax)隨(Z/Wd)分佈圖(Y/s=2.5) ………………………………………81
圖4-6-e紊流雷諾數(Re=10254)下三種流況軸向平均速度(U/Umax)隨(Y/s)分佈圖(Z/Wd=0) …………………………………………82
圖4-6-f紊流雷諾數(Re=10254)下三種流況軸向平均速度(U/Umax)隨(Z/Wd)分佈圖(Y/s=2.5) ………………………………………83
圖4-7a雷諾數992無紊流產生器時，在Z=0處X-Y斷面流場分布
圖………………………………………………………………84
圖4-7b雷諾數4892無紊流產生器時，在Z=0處X-Y斷面流場分布 圖………………………………………………………………85
圖4-7c雷諾數15410無紊流產生器時，在Z=0處X-Y斷面流場分
          布圖……………………………………………………………86
圖4-8a雷諾數992無紊流產生器時，在Z=-23mm(Z/Wd=-0.657)處
X-Y斷面流場分布圖………………………………………87
圖4-8b雷諾數4892無紊流產生器時，在Z=-23mm(Z/Wd=-0.657)
處X-Y斷面流場分布圖………………………………………88
圖4-8c雷諾數15410無紊流產生器時，在Z=-23mm(Z/Wd=-0.657)
處X-Y斷面流場分布圖………………………………………89
圖4-9a雷諾數805加6紊流產生器時，在Z=0處X-Y斷面流場分
布圖……………………………………………………………90
圖4-9b雷諾數1861加6紊流產生器時，在Z=0處X-Y斷面流場分
布圖……………………………………………………………91
圖4-9c雷諾數16112加6紊流產生器時，在Z=0處X-Y斷面流場
分布圖…………………………………………………………92
圖4-10a無紊流產生器下層流雷諾數992，在Z/Wd=0與Z/Wd=-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖………………………………93
圖4-10b無紊流產生器下過渡流雷諾數4892，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………94
圖4-10c無紊流產生器下紊流雷諾數15410，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖………………………95
圖4-11a4柱紊流產生器下層流雷諾數817，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………96
圖4-11b4柱紊流產生器下過渡流雷諾數2177，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………97
圖4-11c4柱紊流產生器下紊流雷諾數16246，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………98
圖4-12a6柱紊流產生器下層流雷諾數805，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………99
圖4-12b6柱紊流產生器下過渡流雷諾數1861，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………100
圖4-12c6柱紊流產生器下紊流雷諾數16112，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時近壁面U/Ud隨X/s變化圖…………………………101
圖4-13a無紊流產生器下層流雷諾數992，在Z/Wd=0與Z/Wd=-0.657時二次流隨X/s變化圖……………102
圖4-13b無紊流產生器下過渡流雷諾數4892，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………103
圖4-13c無紊流產生器下紊流雷諾數15410，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………104
圖4-14a4柱紊流產生器下層流雷諾數817，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖……………………………105
圖4-14b4柱紊流產生器下過渡流雷諾數2177，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………106
圖4-14c4柱紊流產生器下紊流雷諾數16246，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………107
圖4-15a6柱紊流產生器下層流雷諾數805，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………108
圖4-15b6柱紊流產生器下過渡流雷諾數1861，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………109
圖4-15c6柱紊流產生器下紊流雷諾數16112，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時二次流隨X/s變化圖………………………………110
圖4-16a無紊流產生器下層流雷諾數992，在Z/Wd=0與Z/Wd=-0.657時紊流效應隨X/s變化圖……………………………………111
圖4-16b無紊流產生器下過渡流雷諾數4892，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖……………………………112
圖4-16c無紊流產生器下紊流雷諾數15410，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖……………………………113
圖4-17a4柱紊流產生器下層流雷諾數817，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖……………………………114
圖4-17b4柱紊流產生器下過渡流雷諾數2177，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖…………………………115
圖4-17c4柱紊流產生器下紊流雷諾數16246，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖……………………………116
圖4-18a6柱紊流產生器下層流雷諾數805，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖……………………………117
圖4-18b6柱紊流產生器下過渡流雷諾數1861，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖…………………………118
圖4-18c6柱紊流產生器下紊流雷諾數16112，在Z/Wd=0與Z/Wd=
-0.657時紊流效應隨X/s變化圖…………………………119
圖4-19a無紊流產生器下層流雷諾數992，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖……………………………120
圖4-19b無紊流產生器下過渡流雷諾數4892，在X/s=2.7與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………121
圖4-19c無紊流產生器下紊流雷諾數15410，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………122
圖4-20a4柱紊流產生器下層流雷諾數817，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………123
圖4-20b4柱紊流產生器下層流雷諾數2177，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………124
圖4-20c4柱紊流產生器下層流雷諾數16246，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………125
圖4-21a6柱紊流產生器下層流雷諾數805，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………126
圖4-21b6柱紊流產生器下層流雷諾數1861，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………127
圖4-21c6柱紊流產生器下層流雷諾數16112，在X/s=2.74與X/s=8.69時近壁面W/Ud隨Z/Wd變化圖…………………………128
圖4-22a無紊流產生器下層流雷諾數992，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………129
圖4-22b無紊流產生器下層流雷諾數4892，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………130
圖4-22c無紊流產生器下層流雷諾數15410，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………131
圖4-23a4柱紊流產生器下層流雷諾數817，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………132
圖4-23b4柱紊流產生器下層流雷諾數2177，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖………………………………133
圖4-23c4柱紊流產生器下層流雷諾數16246，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………134
圖4-24a6柱紊流產生器下層流雷諾數805，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………135
圖4-24b6柱紊流產生器下層流雷諾數1861，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖…………………………………136
圖4-24c6柱紊流產生器下層流雷諾數16112，在X/s=2.74與X/s=8.69時二次流隨Z/Wd變化圖………………………………137
圖4-25a無紊流產生器下層流雷諾數992，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖…………………………………138
圖4-25b無紊流產生器下層流雷諾數4892，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖………………………………139
圖4-25c無紊流產生器下層流雷諾數15410，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖………………………………140
圖4-26a4柱紊流產生器下層流雷諾數817，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖………………………………141
圖4-26b4柱紊流產生器下層流雷諾數2177，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖………………………………142
圖4-26c4柱紊流產生器下層流雷諾數16246，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖………………………………143
圖4-27a6柱紊流產生器下層流雷諾數805，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖……………………………144
圖4-27b6柱紊流產生器下層流雷諾數1861，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖……………………………145
圖4-27c6柱紊流產生器下層流雷諾數16112，在X/s=2.74與X/s=8.69時紊流效應隨Z/Wd變化圖………………………………146
圖4-28a無紊流產生器下平均Nu值隨軸向(X/s)變化圖……………147
圖4-28b4柱紊流產生器下平均Nu值隨軸向(X/s)變化圖…………148
圖4-28c6柱紊流產生器下平均Nu值隨軸向(X/s)變化圖…………149
圖4-29a雷諾數1018時，三種流況Nu值隨軸向(X/s)變化圖………150
圖4-29b雷諾數15880時，三種流況Nu值隨軸向(X/s)變化圖……151
圖4-30接觸長度內Nusselt number平均值隨雷諾數變化圖……152
圖4-31a無紊流產生器下，在X/s=2.74與X/s=8.69時Nu值隨徑向
(Z/Wd)變化圖……………………………………………153
圖4-31b4柱紊流產生器下，在X/s=2.74與X/s=8.69時Nu值隨徑向(Z/Wd)變化圖……………………………………………154
圖4-31c6柱紊流產生器下，在X/s=2.74與X/s=8.69時Nu值隨徑向(Z/Wd)變化圖……………………………………………155
圖4-32a無紊流產生器下在Z=0時，Nu值隨軸向(X/s)變化圖………156
圖4-32b4柱紊流產生器下在Z=0時，Nu值隨軸向(X/s)變化圖……157
圖4-32c6柱紊流產生器下在Z=0時，Nu值隨軸向(X/s)變化圖……158

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