各式人工心臟及輔助器皆會產生較天然心臟更為混亂或剪應力較大之流場，造成血球的破壞如溶血及血栓等問題，因此研究血球受破壞程度與應力間之關係一直為相關學者們重要的研究課題，期望能得到準確之關係式進而改良人工心臟及輔助器之設計。本文根據文獻理論，設計出一外桶旋轉式之旋轉同心圓柱系統並測試，期望能夠作為血液破壞研究之裝置使用。實驗液體為蒸餾水及體積比36%甘油與64%蒸餾水混合之血液模擬溶液，實驗裝置為30.1mm半徑之外桶，測試兩種間隙尺寸0.1mm及0.3mm之旋轉同心圓柱流場。結果顯示在泰勒數1000、3000、5000、10000之情況下流場皆能保持在穩定均勻的流況，並且不產生泰勒渦漩，此流場可供作日後血液破壞研究實驗之使用。

Various types of artificial heart and ventricular assist devices can produce turbulent flow and larger shear stress than natural heart to damage red blood cells and cause some problems like hemolysis and thrombus. It is important to study how much shear stress can induce blood damage to improve better design of artificial organs. The purpose of this study is to design a circular couette-flow system with rotating outer cylinder and test if its flow field stable or not. The tested liquid is distilled water and 36% of the aqueous glycerin mixed with 64% of the distilled water by volume. The radius of outer cylinder of this concentric cylinder system is 30.1mm and gaps are 0.1mm and 0.3mm to test 4 kinds of flow field with different Taylor number which are 1000, 3000, 5000 and 10000. The result showed that this circular couette-flow is stable, uniform and doesn`t produce Taylor vortex. This flow field can be the use of Hemolysis research.

第一章   緒論	1
1-1前言	1
1-2 研究動機與目的	1
1-3研究內容與方法	2
1-4研究程序	3
第二章   文獻回顧	5
2-1 應力對血球之影響	5
2-2 Taylor-couette flow	11
第三章   實驗裝置與原理	13
3-1 Taylor-couette flow	13
3-1-1基礎穩定流況	13
3-1-2不穩定流況	14
3-1-3亂流	19
3-2 旋轉同心圓柱系統之穩定性分析	32
3-3 circular couette flow與旋轉同心圓柱系統設計理論	35
第四章   實驗設置與方法	40
4-1 實驗設置	40
4-1-1內、外圓柱：	41
4-1-2高速馬達、馬達控制器及面板：	44
4-1-3高速攝影機：	46
4-2實驗方法	48
4-2-1拍攝方式：	48
4-2-2流場之密封方式	50
第五章 結果與討論	52
5-1流場穩定性探討	57
5-2流場渦漩現象形成探討	81
第六章 結論與建議	86
參考文獻	88
圖目錄
圖 1-1 研究流程示意圖	4
圖2- 1血球受應力影響之結果	9
圖2- 2泰勒渦漩流	12
圖3- 1旋轉同心圓柱系統流場示意圖	13
圖3- 2同心旋轉圓柱流場流況分佈圖	15
圖3- 3 laminar circular couette flow	20
圖3- 4泰勒渦漩(Taylor vortex flow)	21
圖3- 5波形渦漩(wavy-vortex flow)	22
圖3- 6波形入流(wavy inflow)	23
圖3- 7波形出流(wavy outflow)	23
圖3- 8鉸鏈形渦漩(twisted vortices)	24
圖3- 9分離式層狀螺旋形渦漩流(separate laminar spirals)	25
圖3- 10單一式層狀螺旋形渦漩(single laminar spirals)	26
圖3- 11貫穿層狀螺旋形渦漩(interpenetrating laminar spirals)	27
圖3- 12波形貫穿螺旋形渦漩(wave interpenetrating spirals)	28
圖3- 13螺旋形亂流(spiral turbulence)	29
圖3- 14亂流(Turbulent flow)	30
圖3- 15亂流渦漩(Turbulent Taylor vortices)	31
圖3- 16 穩定性分界範圍曲線圖	32
圖3- 17 平板流場示意圖	35
圖3- 18 旋轉同心圓柱流場示意圖	36
圖4- 1系統裝置示意圖	40
圖4- 2 內圓柱	42
圖4- 3 外圓柱	42
圖4- 4 內外圓柱組裝位置示意剖面圖	43
圖4- 5 精密指示校正量表及其規格	43
圖4- 6 高速主軸	44
圖4- 7高速主軸尺寸及其規格	45
圖4- 8馬達控制器及面板	45
圖4- 9高速攝影機及其規格	46
圖4- 10廣角鏡頭及其規格	47
圖4- 11 稜鏡裝設位置與鏡頭拍攝方向示意剖面圖	49
圖4- 12稜鏡及其規格	49
圖4- 13 O環裝設位置示意剖面圖	50
圖4- 14 O環安裝位置圖	51
圖4- 15 O環	51
圖5- 1未加入液體時之外圓柱內壁面拍攝	54
圖5- 2靜止狀態下之流場	55
圖5- 3轉動狀態下之流場	55
圖5- 4 Ta=1000，Ω=1740RPM	61
圖5- 5 Ta=3000，Ω=3000RPM	63
圖5- 6 Ta=5000，Ω=3900RPM	66
圖5- 7 Ta=10000，Ω=5500RPM	68
圖5- 8 Ta=1000，Ω=1200RPM	71
圖5- 9 Ta=3000，Ω=2040RPM	73
圖5- 10 Ta=5000，Ω=2640RPM	76
圖5- 11 Ta=10000，Ω=3720RPM	78
圖5- 12 Ta=3000，Ω=3000rpm局部放大比對圖	83
圖5- 13 Ta=5000，Ω=3900rpm局部放大比對圖	83
圖5- 14 Ta=10000，Ω=5500rpm局部放大比對圖	84
圖5- 15 Ta=3000，Ω=2040rpm局部放大比對圖	84
圖5- 16 Ta=5000，Ω=2640rpm局部放大比對圖	85
圖5- 17 Ta=10000，Ω=3720rpm局部放大比對圖	85
圖6- 1 外圓柱加蓋示意剖面圖	86




                 表目錄
表2- 1血球破壞研究之文獻比較	10
表5- 1 A組實驗計算表	58
表5- 2 B組實驗計算表	58

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