王興華臺灣大學：機械工程學研究所余傳濬Yu, Chuan-ChunChuan-ChunYu2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61612本研究旨在深入探討既存已久霧化技術中，衝擊式液頁流場的根本成形原則與原理。並且引入微小尺寸液柱的新式碰撞條件，希冀藉此檢視典式理論於微小尺寸下的適用性。此外以新思維的模式思考近年才被提出的新型態流場─魚骨結構流場的成形條件與驗證，亦是本研究的主旨之一。而其研究方法為以結合實驗與理論的方式，探討於室溫室壓下微小純水液柱碰撞後所形成的液頁流場特性，並試著從其所顯示的各式物理現象，推敲出可能的物理原則。而其探討主題主要可分成三個部分: (1)軸對稱碰撞液頁特性探討 (i)液頁型態:此處以無因次參數(We 、Re )探討液頁型態的成形情形。研究結果除了觀察到了多數典型型態的液頁流場之外，還進一步發現新型態的液頁流場─半穩定液緣非封閉式水練。並於文中提供了近年才剛被提出的震盪流流場的流續流動時序圖，以補足前人文獻僅用文字敘述的不足處。 (ii)液頁動力分析: 本研究首次導入以液柱動量的觀點，分析液頁成形的特性。而研究結果驗證了早期學者Taylor【7】所提出的液頁可能成形原理 (iii)液頁幾何: 研究結果發現，典式理論所提供的液頁輪廓預測理論於微小尺寸碰撞的條件下的預測準確度為有條件的適用；而探討液頁成形指標的液頁長寬比值於理論上僅與液柱碰撞角有關，而與液柱流速、尺寸無關。然而實際上液頁長寬比卻是會隨之改變。對此本文亦提出幾個可能的原因供參考之。 (2)非軸對稱碰撞液頁特性探討 (i)液頁型態: 本研究於此種液柱碰撞方式中，成功地觀察到魚骨結構流場的存在。當碰撞角度為60∘時，該流場的出現範圍為250<We <1200，800< Re <1500 (ii)具週期性流動狀態的流場: 本研究發現魚骨結構流場的流動頻率高達數千赫茲，與文獻Bush and Hasha 【24】所指出的150Hz ~ 200Hz 有頗大的差異。而對此文中亦有作出可能原因的解釋 (3)液頁流場不穩定性分析 (i)液緣驅動模式不穩定性分析: 本研究引用Rayleigh-Plateau instability 的方法探討魚骨結構流場的不穩定特性後，結果發現相關證據皆指出魚骨結構流場的主要不穩定機制應為Rayleigh-Plateau instability。並且取得和文獻Bush and Hasha 【24】一致的結論。 (ii)魚骨結構流場與週期性液滴群的關係: 透過實驗觀察發現，週期性液滴群的流動特性與魚骨結構流場有多處相仿之處，因此本文以為週期性液滴群的成形原則應與魚骨結構流場相同。The objective of this investigation is study the principle of classic atomization engineering of the impinge type of liquid sheet in great depth .and the attempts would be made to introduce the collide condition of new form in micro scale of liquid jets. Our aim is to examine the applicability of the classic theory of fluid sheets in the above condition, and discuss the formation condition of a new type of flow named fishbones. And the works is a combined experimental and theoretical investigation of fluid sheets flow generated by obliquely colliding laminar water jets in atmosphere environment. This investigation is mainly divided into three parts: (1) The characteristics of fluid sheet flows formed by symmetric collision: (i) fluid sheet types The works is using method of dimensional analysis(Rej、Wej) to study the characteristics of fluid sheet types. In addition to several classic fluid sheet types, we discover a new type of fluid sheets called unclosed fluid chain with meta-stable rim. In addition , this research have provided the flow pattern of oscillating stream , despite the flow has been proposed by Bush and Hasha【24】in 2004. But they only had word statement without any flow pattern presented in their report. (ii)dynamic analysis of fluid sheet flows: The research is firstly introduce the aspect of the momentum of liquid jet to study the characteristic of fluid sheet formation. And the results clearly demonstrate that the hypothesis of fluid sheet formation can be examined by experiment which has been proposed by Taylor【7】in 1960. (iii) fluid sheet geometry In these section, the classic fluid sheet shape theory in the micro-scale liquid jet impingement condition has been investigated. And the results have been demonstrated that the agreement of classical fluid sheet shape theory is conditional accuracy. And it has confirmed that the theoretical fluid sheets length to width ratio only vary with impingement angle, and the reality fluid sheets length to width ratio well vary with liquid jet velocity and jet diameter. (2) The characteristics of fluid sheet flows formed by asymmetric collision: (i) fluid sheets types In an asymmetric collision, the fishbone flow has been observed .The limited parameter regine( 2θ=90∘, 250<Wej<1200、800<Rej<1500) in which the fishbones exist is reasonable. (ii) fluid sheets flow with periodic property Our results indicate that the frequency of fishbones can reach several thousand Hz which is much different to that reported by Bush and Hasha【24】. The later indicates that the frequency should be only in 150~250Hz. The possible reasons will be explaned later in this paper. (3) The instability of fluid sheet flows (i)rim-driven instabilities In the section, after using Rayleigh-Plateau instability to examine the possible mechanism of instabilities of fisbones flow. We find that major mechanism of instabilities of fisbones should be Rayleigh -Plateau instability can be confirmed. (ii)the relationship between fishbones and periodic drops. It appears that the flow characteristics between periodic drops and fishbones are similar. It indicates that the formation principle between this two type flows might be similar too.誌謝 I 中文摘要 III 英文摘要 VI 本文目錄 VIII 圖表目錄 X 符號說明: XIII 第一章 導論 1 1-1前言 1 1-2 液頁流場的形成原理 2 1-2.1霧化原理 2 1-2.2液頁的形成方式 3 1-2.4液頁形成原理 4 1-2.5液頁的流動模式 4 1-2.6液頁的碎裂機制 4 1-2.7擾動波動的形式 6 1-2.7.1 穩定反對稱波(stationary antisymmetrical Wave) 7 1-2.7.2 Kelvin-Helmholtz instability Waves 8 1-2.8 衝擊式液頁碎裂機制的劃分 (兩液柱直接對撞的方式) 9 1-3液頁流場的特性 10 1-3.1液頁型態 10 1-3.2 液柱碰撞形式與液頁型態的關係 13 1-3.3 液頁長寬比 15 1-3.4 液膜流速分佈 16 1-4 研究動機與目的 17 第二章 基本原理 18 2-1低We模式的液頁輪廓（sheet shape） 18 2-2 高We模式的液頁碎裂 22 2-2.1高We模式的液頁波動理論 22 2-2.2高We模式液頁碎裂的粒徑分析 23 第三章 實驗設備與方法 25 3-1實驗設備 25 3-2 實驗方法 32 第四章 結果與討論 40 4-1軸對稱碰撞液頁特性探討 40 4-1.1液頁型態 40 4-1.1.1重要無因次參數 40 4-1.1.2異於前人的實驗方法與探討 42 4-1.1.3 液頁型態的演變 43 4-1.1.4 液柱碰撞角度對於液頁型態的影響 51 4-1.1.5 We 、Re 對於液頁流場所產生的效應探討 53 4-1.1.6 液頁於中低流速區域的型態 54 4-1.2 流體動量與液頁流場的相關性探討 55 4-1.2.1流體動量與流場型態成型關係 55 4-1.2.2 流體動量與液頁型態關係的實驗方法 57 4-1.3 液頁輪廓 (sheet shape) 70 4-1.3.1 理論液頁與實際液頁輪廓之比較 70 4-1.3.3 液頁輪廓之理論模式的適用性探討： 76 4-1.3.4 液頁的理論長寬比與實際長寬比之差異性探討 78 4-2非軸對稱碰撞液頁特性探討 81 4-2.1 非軸對稱碰撞的液頁型態 81 4-2.2 魚骨結構流場的力學機制 83 4-2.3魚骨結構流場的週期性質與頻率 83 4-2.4 非軸對稱碰撞、水力動力傳遞與液頁型態的關係 85 4-3.魚骨結構流場的不穩定性探討 85 4-3.1不穩定性模式 85 4-3.1.1 液膜驅動模式(sheet driven)與魚骨結構流場之不穩定性探討 86 4-3.1.2液緣驅動模式(rim driven)與魚骨結構流場之不穩定性探討 86 4-3.2 應用液緣驅動模式(rim driven)與實際實驗情況比較 87 4-3.3 液頁穩定性的成長趨勢 91 4-3.4魚骨結構流場與週期性液滴群之關係 91 第五章 結論 92 未來展望 101 參考文獻 103 圖表 108 表1-1 液態火箭推進劑之物理性質 108 表1-2 CTAB 與 NaSal 之混合特性表 108 表1-3 微拍鏡頭搭配0.75X物鏡拍攝所得的影像， 109 圖1-1 衝擊式霧化的分類 110 圖1-2 衝擊式霧化液頁的類型 110 圖1-3 旋轉式霧化液頁 111 圖1-4 轉換區示意圖 111 圖1-5 液滴自液緣碎裂而出的現象 112 圖 1-6 波動形式 113 圖1-7 類心形波動 (Cardioid Waves) 114 圖1-8 液頁破裂半徑趨勢圖 115 圖1-9 典型的液頁流場型態 116 圖1-10 碰撞角度90∘70%甘油與水的溶液的液頁型態隨著液柱流速(U)的變化 117 圖1-11 碰撞角度60∘的糖水溶液(μ=6.6 cp)液頁隨著液柱流速(U)的變化 118 圖1-12 碰撞角度90∘甘油與水的溶液液頁所呈現的各種型態 119 圖1-13 CATB與NaSal溶液進行液柱碰撞所形成的液頁流場─液網(Fluid Webs) 120 圖2-1 液頁碰撞示意圖 121 圖2-2 液模碎裂成條狀與液滴示意圖 121 圖3-1 實驗設備示意圖 122 圖3-2 實驗設備圖 123 圖3-3實際噴嘴照片與其所形成的液柱 124 圖3-4 碰撞機構圖 125 圖3-5氣壓缸驅動機構照片 126 圖3-6汽缸驅動機構供應流體原理的示意圖 126 圖3-7 數位像機搭配200mm焦段鏡頭與3+近攝濾片在蛇腹腔距140mm所拍攝 尺規的實際影像 127 圖3-8 7x放大倍率拍攝微小尺標的實際照片 127 圖3-9 一般CCD攝影機用的攝影平台 128 圖3-10高速攝影機與數位像機用攝影平台 128 圖3-11 使用微拍技術從液柱碰撞的側面作局部放大和量測實際影像 129 圖3-12 層流液柱碰撞型態圖 130 圖3-13 紊流液柱碰撞液頁型態圖 131 圖3-14 40μm噴嘴組，於錶壓1.0 atm 壓力的驅動條件，汽缸中段區域64 ~ 68mm局部流速的分佈情形 132 圖3-15 攝影設備配置圖 132 圖4-1 碰撞角度90∘液頁流場型態與We 和Re 之關係圖 133 圖4-2 以各種孔徑尺寸之噴嘴所預估之We 與Re 之關係圖 134 圖4-3 軸對稱碰撞液頁型態分佈圖 135 圖4-4 軸對稱碰撞液頁流場型態圖 136 圖4-5 半穩定液緣非封閉式水鏈的不穩定性對於速度變化的敏感性 137 圖4-6 中低速液頁型態演化情形 138 圖4-7 震盪流流場與Rayleigh plateau instability機制 139 圖4-8 振盪流流場流動時序圖 140 圖4-9液柱碰撞產生等距波長形式壓力波的示意圖 141 圖4-10 液柱碰撞所產生的壓力波紋實際照片圖 141 圖4-11 液緣不穩定時所出現的類心型曲形波動形式 141 圖4-12 液柱碰撞動量作用示意圖 142 圖4-13 噴嘴孔徑40μm於不同碰撞角度，相同Fx值之液頁流場比較圖 143 圖4-14 噴嘴孔徑50μm於不同碰撞角度，相同Fx值之液頁流場比較圖 145 圖4-15 噴嘴孔徑70μm於不同碰撞角度，相同Fx值之液頁流場比較圖 147 圖4-16 噴嘴孔徑40μm於不同碰撞角度，相同Fy值之液頁流場比較圖 148 圖4-17 噴嘴孔徑50μm於不同碰撞角度，相同Fy值之液頁流場比較圖 150 圖4-18 噴嘴孔徑70μm於不同碰撞角度，相同Fy值之液頁流場比較圖 152 圖4-19 不同噴嘴孔徑，60∘碰撞角度於相同Fx 之液頁流場比較圖 153 圖4-20 不同噴嘴孔徑，60∘碰撞角度於相同Fy 之液頁流場比較圖 154 圖 4-20 不同噴嘴孔徑，60∘碰撞角度於相同Fy 之液頁流場比較圖 155 圖 4-21 不同噴嘴孔徑，90∘碰撞角度於相同Fx 之液頁流場比較圖 157 圖 4-22 不同噴嘴孔徑 90∘碰撞角度於相同Fy值之液頁比較圖 159 圖 4-23 理論液頁輪廓與實際液頁輪廓比較圖 ( D=40μm 2θ=60∘) 160 圖 4-24 理論液頁輪廓與實際液頁輪廓比較圖(續) ( D=40μm 2θ=90∘) 161 圖 4-25理論液頁輪廓與實際液頁輪廓比較圖(續) ( D=50μm 2θ=60∘) 163 圖 4-26理論液頁輪廓與實際液頁輪廓比較圖(續) ( D=50μm 2θ=90∘) 165 圖 4-27 理論液頁輪廓與實際液頁輪廓比較圖(續) ( D=70μm 2θ =60∘) 167 圖 4-28 理論液頁輪廓與實際液頁輪廓比較圖(續)( D=70μm 2θ=90∘) 169 圖4-29 液頁最大長度與寬度隨流速的變化關係(文獻引用圖) 171 圖4-30 液頁長度與寬度隨流速變化圖 172 圖4-31 液頁的等厚度圍線分佈圖 174 圖4-32 理論液頁輪廓出現V字曲線的情況 174 圖4-33 液膜表面出現Kelvin-Hemholtz instability wave 175 圖4-34 Kelvin-Hemholtz instability wave造成液緣的碎裂 175 圖4-35 相同孔徑、液柱流速於不同碰撞角度下的液頁尺寸比較圖 176 圖4-36 理論與實際液頁長寬比比較圖 176 圖4-37 二維平面層流自由噴流流速分佈圖 177 圖4-38 非軸對稱碰撞液頁型態分佈圖 178 圖4-39 魚骨結構流場流動時序圖 ( D=70 U =9 m/s ) 179 圖4-40 拍攝頻率與魚骨結構流場同步的時序圖 ( D=70 f = 2000Hz ) 180 圖4-41 魚骨結構流場流動時序圖 ( D=70 U =11.3 m/s ) 181 圖4-42 拍攝頻率與魚骨結構流場同步的時序圖 ( D=70 f=5000Hz ) 182 圖4-43 魚骨結構流場流動時序圖 ( D=40 ) 183 圖4-44 拍攝頻率與魚骨結構流場同步的時序圖 ( D=40 f=3300Hz ) 184 圖4-45 魚骨結構流場流動時序圖 ( D=70 U =14.7 m/s =100 ) 185 圖4-46 拍攝頻率與魚骨結構流場同步的時序圖 (D=70 f= 4000Hz ) 186 附錄 187 附圖 1 純水性質與溫度變化的關係圖 18722182570 bytesapplication/pdfen-US液頁液頁長寬比液頁型態軸對稱碰撞非軸對稱碰撞fluid sheetsfluid sheets length to width ratiosymmetric collisionasymmetric collisiontypes of fluid sheetsthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61612/1/ntu-96-R93522320-1.pdf