Abstract
背向階梯流場為最典型的邊界層分離後再接觸之流場（separated/ reattached boundary layer flow），於工程上有相當廣泛的應用，其穩態結構及各種應用之相關研究資料豐富，本文嘗試以不同於其他研究的觀點，利用五種不同階梯結構及含壁面噴流之背向階梯變化流場，進行PIV、流場觀測及壓力擾動等實驗量測，以暫態流場結構的觀點出發，分析不同流場造成基本構造的改變。實驗規劃以流場觀測作為流場暫態行為的依據，以PIV量測取得速度場及流場紊流性質，再以壓力擾動頻譜驗證流場中的結構變化特徵。 實驗中得知暫態流場結構和穩態結構大為不同，各部分細部結構間相互作用呈現不斷變化的非穩定狀態，剪流層為流逸之渦流所構成，主迴流區為多重迴流泡所形成，這些迴流泡為剪流層渦流相互作用後組成，角落渦漩大小隨時間消長。剪流層渦漩有三種主要發展模式交替出現，回饋噴流有兩種行為模式，是為角落渦漩之消長驅動源。 在不同階梯形狀之流場中可歸納出角落渦漩、回饋噴流及剪流層三者間的交互作用，並且於迴流區長度有相符合的解釋。角落渦漩的大小和結構是背向階梯流場表現的關鍵因素，以綜觀的角度而言，角落渦漩和鄰近流體之質量交換不明顯，故在相同迴流區尺度下，角落渦漩尺度愈大則迴流量愈小。但角落渦漩和主迴流區之質量交流對於不同的角落渦漩結構卻有重要的影響。 含壁面噴流之背向階梯流場實驗發現，壁面噴流對迴流結構的影響順序為角落渦漩、主迴流區及剪流層，含有自由流質量之流體逐漸無法進入噴流流體主導之趨勢，確立了整個流場的質量交流路徑為自由流、剪流層、主迴流區而至角落渦漩。 壓力擾動頻譜中顯示，本實驗中基本背向階梯流場的特徵頻率大約為n = 1.23（53 Hz），此流場主頻為主迴流區之迴流泡所造成之訊號，而階梯角落及再接觸區之極低頻特徵頻率接近，間接證明了剪流層低頻拍擊運動與角落渦漩消長有關。 本文對於背向階梯流場之非穩態特性作深入的探討，釐清各細部結構間的相互作用，凸顯了其功能性與多樣性，期望本研究之成果能夠提供後進研究者一個思緒方向，對於背向階梯流場的應用，也提供了更多的思考空間及參考價值。