Abstract
本文以大渦數值模擬的方式研究自由剪層流場及具壁面噴流背向階梯流場之熱流特性。文中利用交替使用之MacCormack及修正型Godunov數值法並搭配Smagorinsky次尺度紊流模式來求解三維非穩態可壓縮保守方程式，數值方法分別經由兩個標準算例來確認計算之時間精確度。自由剪層流場的研究，首先就基礎流場的計算結果與公開文獻中之實驗結果比較，分別驗證了軸向平均速度、渦流厚度及紊流特性參數，並獲致良好的一致性。其次利用流場視覺、渦度動態分析、環流量、平均渦流厚度及紊流量等性質之分析，探討外加三維擾動及流場壓縮性(其對流馬赫數變化的範圍從0.14到1.28)對於剪層混合機制之影響。本研究同時模擬出過去不同學者分別在不可壓縮流場中所觀察到的流場結構，且提出實驗視流所無法觀察到的渦旋內部機制，此外並證實其所使用之混合增益技巧仍適用於可壓縮流場；同時亦發現當流場壓縮性提高時流場型態會趨近於交錯模式流場，因此其渦旋配對的現象會逐漸消失，然而其小尺度混合仍然會繼續，只是其仲介的機構會有所不同。為了提升可壓縮剪層流場過低之剪層成長率，本研究發現當外加擾動滿足流場固有之傾斜波動形式時會得到最佳的混合效果，而此一結論對於高速噴射推進系統之設計應有相當的助益。具壁面噴流背向階梯流場之研究，其結果首先與燃燒及非燃燒流場之實驗結果比較其平均流場、再附著長度以及紊流參數來驗證其可靠度。接著透過流場之瞬時渦度場、速度場、煙線、時線、徑線，探討空氣與壁面噴流間之混合模式以及流體質點在迴流區中之運動型態。有鑑於過去學者均在簡化的條件下利用實驗技巧以間接的方式來決定流體在迴流區內之駐留時間，本文首次利用數值模擬的途徑，架構出一套分析方式直接來追蹤流體質點於迴流區中之路徑以取得駐留時間，其計算之結果與實驗之結果相當吻合進而證實本研究方式之可靠度，此外根據研究結果亦訂出最小檢測區間以作為間接量測駐留時間時之參考。在非燃燒及燃燒流場之研究中，利用駐留時間將迴流區與外部流場之質量、動量及熱量傳遞率予以量化，從而發現在非燃燒流場中隨著進口速度之增加迴流區與外部流場間之質量、動量及熱量傳遞率會隨之增加，然而在非預混火焰燃燒流場中則會先降後升，而此現象與迴流區內燃料與空氣之比值有關。此外亦提出當流場進口速度改變時，根據迴流區駐焰能力以及駐留時間之變化可決定出燃燒穩定迴路(stability loop)，而此結果可作為燃燒室設計之參考。本論文共分為五章，第一章包括序論、文獻回顧及本文之研究目的，第二章介紹本研究所使用之統御方程式、數值方法及相關之數值實驗，第三、四章分別探討自由剪層流場及具壁面噴流背向階梯流場的計算結果，第五章為本文的結論以及對未來研究方向的建議。