Abstract
本文運用大渦模擬的方式研究直角二維背向階梯具壁面質傳效應流場其內部之基本物理特性， 並就數值模式之發展、 流場瞬時結構演化情形、 混合特性及工程實用觀點等方面提出主要結論與貢獻， 而此類流場常見於固體燃料導管火箭或衝壓引擎。 文中透過一同時具有三階準確的空間差分法則與二階準確的時間積分方法之隱式數值疊代程序， 直接求解完整非穩態不可壓縮的Navier-Stokes運動及傳輸方程組外， 亦搭配一動態混合之次網格尺度紊流模式 (dynamic mixed sub-grid scale model) 用以解析比網格尺度還小之次網格尺度擾動量。 此外， 在面對如此複雜的壁面邊界問題上， 亦應用本研究全新發展之近壁處理模式， 其目的是希望能減少近壁的格點使用量。在理論方面的建立方面， 涵蓋了數值模式、 次網格尺度模式、 近壁模式的推展與驗證， 以及數值求解程序的展示等。 為降低近壁格點的密度， 本文推展出一能同時考慮近壁質傳與壓力梯度雙重效應影響下之壁面特殊處理方式， 並對前人之加、 減速運動之蒸散紊流邊界層流體的實驗結果作預測， 得以初步證實此一概念之可行性與準確性。在整體數值程序與模式的驗證方面， 包括數值疊代程序與本文所提模式兩部分， 並與所知公開文獻中的模擬結果或實驗數據作定性與定量上的比較， 顯示出預測趨勢有大幅的改善。 藉由一連串基本物理問題之測試， 再次確認QUICK空間差分法則之三階準確性與Crank-Nicolson二階準確之時步積分特性。 此外， 為瞭解本文所提出之近壁模式對於預測不具與微壁面噴流效應之高雷諾數分離流場之表現性與可靠度， 除了透過不使用任何紊流模式的方式外， 亦同時建立了Smagorinsky模式、 動態混合模式及進一步將近壁處理方法整合於動態混合模式中等有關大渦模擬的數值程序。 經與實驗結果比較後， 發現後者不論是在定性上之平均流場特性以及在定量上之平均流場速度、 紊流場的預測趨勢都顯示較前三者之結果有合理的改善與一致性。最後， 將經過評估後的最佳數值組合模式， 用以探討具壁面質傳之二維背向階梯冷流場於不同壁面噴流質量比率下之平均特性、 混合機制、 渦流結構與動態等。 而為了滿足流體於多孔質板內仍符合史托克 (Stokes) 流體的本質， 故此部分之邊界條件已經做了一些修正。 與已知實驗結果比對， 不論是平均流場結構以及紊流場之定量比較， 均能正確地重現實驗所觀察到之不同特有流場型態 (迴流型態A、 蒸散型態B、 薄膜型態C及似自由剪切型態D等)。 本文因而得以進一步突破前人對此類流場的認知。緊接著透過瞬時流場數值觀測法， 研究各流場型態當壁面質傳噴發初始階段， 大小渦流群彼此間的互動與消長關係， 以及伴隨而來之於入口主流與下壁面這兩處釋放之質點動態， 進而闡釋進口空氣與壁面噴流間的混合模式。 在各流場型態中渦漩週期運動之探討方面， 透過剪流層 (混合層) 附近之速度擾動頻譜分析以捕捉流場大尺度渦旋的流逸頻率， 並據此研究其渦流配對機制之變化， 從而釐清並擴展對剪流層與壁面間強烈交互作用現象之認知， 更對特有流場結構之形成提出合理且完整的解釋。 比較瞬時和平均的壁面噴流質量分率， 得以觀察壁面質傳強度與紊流效應對流場質傳機制的影響。 透過渦漩結構尺寸之量化改變以及剪流層消長情形， 分別分析流逸渦漩挾帶機制與平均流場挾帶能力受壁面噴流強度之影響。 結果顯示於流場型態B中的三個連續渦漩的互相結合有最佳的挾帶能力以及較佳的混合效果， 但就平均流場言， 挾帶能力有隨著壁面噴流的加入與增強而遞減的趨勢。 這些針對具顯著壁面質傳效應之二維背向階梯流場的研究， 可以作為此類流場深入分析散熱機制的參考之用。