三維異重流於寬廣無渠道斜坡運動

Abstract

本研究利用理論模型、因次分析以及水槽實驗，觀察異重流於不同平面斜坡運動。水槽斜坡及異重流密度差異是影響異重流運動的主要關鍵，因此研究主要探討坡度及密度對於異重流的影響。其中實驗坡度介於0◦ ≤ θ ≤ 12◦，相對密度差ϵ = (ρ1 − ρ0)/ρ0 介於0.02 ≤ ϵ ≤ 0.15 ，當中ρ1 為重流體密度，ρ0 為環境流體密度。透過理論模型及實驗結果，可進一步的求得不同坡度及相對密度差的異重流增捲係數α (entrainment coefficient )。其中發現增捲係數會隨著相對密度變大而變小，原因是當相對密度差變大的時候，重流體比較不容易與環境流體混合。此外，由結果發現此理論模型在小角度案例中並不適用。由因次分析以及實驗結果可發現，異重流在減速運動中會有兩種不同的運動型態，分別是重力與慣性力平衡的慣性段，以及重力與黏滯力平衡的黏滯段。受斜坡的影響，異重流運動形貌上有明顯的差異性，這樣的差異可進一步將異重流分為高角度(12◦、9◦、6◦) 與低角度（3◦、0◦）兩類。由於形貌上的差異，會影響異重流在後減速黏滯段的運動中，邊界層間黏滯力的作用面積不同而有不同的因次關係。受密度差異影響，異重流也可分為高相對密度差(ϵ = 0.15、0.10、0.05) 及低相對密度差(ϵ = 0.02) 兩類。在後減速黏滯段，因為前面運動強烈的混合下，發現高密度差的異重流在黏滯段與低密度差異重流運動型態相似。