Abstract
本文以實驗方法研究分離流場中之壁面蒸散冷卻現象，強調分離流場、暫態過程、溫度效應、蒸散冷卻四項特徵。嘗試在以分離流場中之蒸散冷卻現象為主體之前提下，探討冷卻及流場混合之機制，並找出壁面與流場間之互動性，將穩態與暫態之蒸散冷卻現象向工程應用大幅推進。首先，藉著常溫低速風洞實驗、雷射切面觀測技術及改良之種源（seeding）技術，在流場中發現四種不同之型態，配合流場速度、壓力之定量量測結果，確證流場型態之存在。本文並針對四種型態之出現時機，提出以噴流速度比為基準之劃分表，藉此可以在作類似之流場研究時，預判流場之型態。在對高溫高速流場之研究中，由平均速度場、紊流場及壓力場之分析中，發現仍然存在前述流場型態之各項特徵，且由溫差所造成之密度變化與壓差所驅動之流動，在垂直方向有相同之量級。在穩態溫度場之分析中，發現加大壁面噴流速度會將降溫區由近角落處拓展至整個近壁面處，而且增加主進口流溫度會壓抑壁面噴流對高溫流場之影響，尤其在高噴流速度時更為明顯。在暫態流場之分析中，發現剪流層為一相當堅強之分隔，使其上之高溫場幾乎沒有暫態變化，同時發現相同進口溫度時，較高之壁面噴流速度展現出較快且較深之暫態溫度變化曲線，而在相同噴流量時，較高之進口溫度將減緩壁面噴流之暫態降溫過程。而在壁面噴流主導之流場區域中，如近角落處、較大噴流之近壁面處或近階梯尖端處，不同進口溫度之暫態降溫曲線間有相似性，亦即主進口流狀態及壁面噴流狀態對流場之暫態變化影響有強烈之區域性，不同之區域有不同之性能，而且區域在流場中之分布與流場型態密切相關，流場型態所顯示之區域劃分，決定了流場一切特性。在分析壁面蒸散冷卻現象時，本文提出重要之觀念：壁面蒸散冷卻存在兩種機制，因為低溫冷媒空氣（即是前述之低溫壁面噴流）與多孔質體相互結合而造成之多孔質體溫度降低現象稱為第一種蒸散冷卻機制（或稱為內機制）。因為低溫冷媒空氣穿過多孔質體，在壁面上形成低溫流體薄層，阻絕多孔質壁面與高溫氣流直接接觸之現象稱為第二種蒸散冷卻機制（或稱為外機制）。薄膜冷卻（film cooling）只有外機制存在，因此熱防護效果未若蒸散冷卻佳。在暫態過程中，內機制之作用會使壁面與近壁面流場溫差增加，從而使熱對流旺盛，史丹頓數（Stanton number）上升；隨後外機制之作用起動，會使壁面與近壁面流場溫差劇減，從而使熱對流趨緩，史丹頓數降低。外機制必須在冷卻噴流速度足夠大方能發生，而所謂足夠大之冷卻噴流速度係取決於噴流速度噴流速度能否將流場型態由型態A推擠至型態B乃至型態C或型態D。在型態C、型態D以及壁面噴流速度較大之型態B中，迴流結構會被噴流所抬高，在本文所提出之穩態或暫態數據中，也顯示出此種冷卻噴流在近壁面處集結成層之現象，就蒸散冷卻之機制而言，此種流場型態之改變，證明了外冷卻機制之存在。此外，在前述暫態冷卻現象之分析中，本研究提出相似性之觀念，透過比對暫態降溫曲線間之相似性，可以判斷此一區域是否由冷媒空氣所主導或由高溫空氣所主導。