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研究生： 周漢源
Han-Yuan Zhao
論文名稱： 數值模擬不同幾何型態的噴流特性
指導教授： 陳志臣
Jyh-Chen Chen
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 109
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    • 理參數（如雷諾數、普朗特數… … .等）的影響，從不同幾何形狀的
    噴嘴中噴入一渠道中，探討其對衝擊面上的熱傳影響。首先藉著模擬
    狹縫形噴嘴噴流噴入一頂部恆溫，四周絕熱且有對稱特性的渠道內，
    來探討雷諾數（Re）、普朗特數（Pr）、噴嘴到衝擊面距離（H*）與不
    同形態的入口速度剖面… … .等物理參數與幾何形狀上的差異，與文
    獻做比較與討論，來了解噴流的流線結構與熱傳特性等性質。
    接著模擬圓管形噴嘴噴流在一軸對稱且頂部恆溫，四周絕熱的渠
    道中，與狹縫形噴嘴噴流比較彼此間的熱傳特性差異，其中圓管形噴
    流適合於小區域的取熱，而狹縫形噴嘴噴流適合於大面積的取熱。除
    此之外，圓管形噴嘴噴流的模擬還針對在有或無限制面渠道內，流體
    在不同雷諾數與高度（H*）下，流線與熱傳表現，當低雷諾數（Re£600）
    時限制面對熱傳所形成的影響極微；600<Re<1200 時則受限制面所影
    響的系統熱傳因受次滯留循環區影響而較不佳；當Re>1200 時又因
    次滯留循環區強度弱而兩者間熱傳表現無異。對於因均一形入口速度
    剖面帶來的剪應力所造成局部奈塞爾數（Nu）最大值偏移現象，探
    討其與高度（H*）間的關係，高度越大時則Nu 最大值會向內漸漸移
    動。另外因HEM長晶法中，衝擊面直徑尺寸對長晶溫度梯度形成有
    重要影響，故對此我們模擬衝擊面直徑對熱傳的影響，當衝擊面直徑
    （Di）越小時，所得平均奈塞爾數越佳。
    最後進入研究主體，在圓管形噴嘴噴流中討論水渠道的加入，形
    成一新型的熱交換器系統，藉著水來幫助氣體取熱，減少氣體的耗
    費。針對此系統模擬討論在不同氣體流速與水流速的關係下，對取熱
    II
    方式產生的改善，以得到控制HEM 長晶時所需之溫度生長梯度。水
    的加入對取熱有一定的改善，只是水增加對增加取熱量的效果不是很
    明顯，因此適當的增加噴氣量會得到更佳的取熱效果。

    摘要.................................................................................................... I 致謝..................................................................................................III 符號說明........................................................................................ IV 目錄................................................................................................. VI 圖表目錄........................................................................................ IX 第一章 緒論..................................................................................1 1-1 前言.......................................................................................1 1-2 文獻回顧...............................................................................1 1-3 研究目的...............................................................................3 第二章 狹縫形噴嘴噴流的特性（直角座標系）..................5 2-1 物理模式...............................................................................5 2-2 統御方程式與邊界條件.........................................................5 2-2.1 統御方程式.................................................................................5 2-2.2 邊界條件......................................................................................6 2-3 無因次化後的統御方程式與邊界條件..................................7 2-3.1 無因次量......................................................................................7 2-3.2 無因次化統御方程式與邊界條件..........................................8 2-4 研究方法.............................................................................10 2-4.1 FIDAP 簡介....................................................................................... 10 2-4.1.1 元素型式的設定............................................................................10 2-4.1.2 FIDAP 的前處理與後處理............................................................. 11 2-4.1.3 FIDAP 可以處理的問題.................................................................12 VII 2-4.1.4 FIDAP 解題方式與討論.................................................................12 2-4.2 解題步驟........................................................................................... 15 2-4.3 計算奈塞爾常數.............................................................................. 17 2-5 結果與討論.........................................................................18 2-5.1 程式結果驗證................................................................................... 19 2-5.2 流場與熱流場討論.......................................................................... 21 2-5.3 均一形速度剖面噴流平均奈塞爾數的討論............................... 24 第三章 圓管形噴嘴噴流的特性 (圓柱座標系，未加水冷卻)… … … … … … … … … .26 3-1 物理模式.............................................................................26 3-2 統御方程式與邊界條件.......................................................26 3-2.1 統御方程式....................................................................................... 26 3-2.2 邊界條件........................................................................................... 27 3-3 無因次化後統御方程式與邊界條件....................................29 3-3.1 無因次量........................................................................................... 29 3-3.2 無因次化統御方程式與邊界條件................................................ 29 3-4 計算奈塞爾常數..................................................................31 3-5 結果與討論.........................................................................32 3-5.1 圓管形噴嘴噴流與狹縫形噴嘴噴流的比較............................... 33 3-5.2 程式結果驗證................................................................................... 33 3-5.3 流場與熱流場討論.......................................................................... 34 3-5.4 限制面與噴嘴高度影響................................................................. 36 3-5.5 均一速度剖面噴流最大局部奈塞爾數偏移現象...................... 37 3-5.6 衝擊面直徑（Di）的影響............................................................. 38 第四章 加水冷卻的圓管形噴嘴噴流特性探討....................39 4-1 物理模式.............................................................................39 4-2 統御方程式與邊界條件.......................................................39 4-2.1 統御方程式....................................................................................... 39 4-2.2 邊界條件........................................................................................... 40 4-3 無因次化後統御方程式與邊界條件....................................43 4-3.1 無因次量........................................................................................... 43 VIII 4-3.2 無因次化統御方程式與邊界條件................................................ 43 4-4 結果與討論.........................................................................47 4-4.1 純吹氣與通水比較.......................................................................... 47 4-4.2 氣體不變而水流增加情況............................................................. 48 4-4.3 氣體增加而水流不變情況............................................................. 48 4-4.4 高度的影響....................................................................................... 49 4-4.5 純吹氣與通水彼此間Nuav 的關係................................................49 第五章 結論................................................................................50 參考文獻......................................................................................107

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