[[alternative]]Three-Dimensional Numerical Simulation of Incompressible Laminar and Turbulent Flows in Long Microchannels

計畫編號：NSC94-2212-E032-007研究期間：200508~200607研究經費：426,000[[abstract]]一些研究者仔細的比較了已發表的有關微流道摩擦及熱傳的實驗數據後，發現實驗數據與傳統大管道理論所預測的有相當差距，不同的實驗所得的結果差異相當大，實驗結果的趨勢也不盡相同。目前對此一差異的形成及其可能的解釋尚未完全釐清。有些研究者認為實驗數據與傳統大管道理論的差距可由下列的微尺寸效應來解釋：(1).軸向熱傳(較小的Peclet數)。(2).藕合的熱傳(Conjugate heat transfer,較厚的管道壁)。(3).溫度造成的流體性質變化(大的軸向溫度梯度)。(4).壓力造成的流體性質變化(大的軸向壓力梯度)。(5).壁面粗糙度(具體的壁面粗糙分佈)。我們目前尚無法準確的預測流體在微流道裏的摩擦及熱傳特性，這一方面的問題仍有待進一步研究。 大部份已發表的有關長微流道裏不可壓縮流流場的數值計算論文皆是二維或三維但使用很粗的網格，這些粗的網格無法精確計算由於非常大的溫度及壓力梯度所帶來的急劇流體性質與流場變化。我們也很難找到有關長微流道裏三維不可壓縮紊流場的數值計算論文。這是由於利用完整的 Navier-Stokes 方程式來計算三維的長微流道流場需要大量的計算時間及電腦記憶體。 本計畫主要在發展一套有效率的三維數值計算方法來預測不可壓縮流體於長微流道的層流與紊流流場。本數值計算的優點，在於它的統御方程式是一個具有拋物線型特性的方程式。它採用了一個在空間中有效行進的方法來求解統御方程式，速度上至少比解完整的 Navier-Stokes 方程式快上百倍。此一數值程式是研究長微流道流場的快速而準確的工具，它可幫助探討長微流道流場因大的溫度變化(大的軸向溫度梯度)造成的流體性質改變所引起的摩擦與熱傳效應的改變，幫助我們解釋實驗數據與傳統大管道理論的差異以及不同研究者所得實驗數據的差距的原因。[[sponsorship]]行政院國家科學委員

[[alternative]]Numerical Simulations on Damping in Laterally Driven Micro Comb Structures

計畫編號：NSC92-2212-E032-009研究期間：200308~200407研究經費：398,000[[sponsorship]]行政院國家科學委員

[[alternative]]Three-Dimensional Numerical Simulation of Compressible Flow in Rectangular Microchannels

計畫編號：NSC93-2212-E032-005研究期間：200408~200507研究經費：426,000[[abstract]]由已發表有關微流道摩擦及熱傳之實驗及數值論文的比較顯示不同研 究者所得的實驗結果差異很大，實驗結果的趨勢也不盡相同。目前對此一 差異的形成及其可能的解釋都尚未清楚。所以我們目前尚無法準確的來預 測流體在微流道裏的摩擦及熱傳特性，這一方面的問題仍有待進一步研究。 大部份已發表有關微流道流場的數值論文是模擬不可壓縮流或二維的 可壓縮流，而由於計算時間的考量，模擬三維的流道往往是很短的。本計 畫主要就是發展出一個有效率的三維數值計算方法來預測可壓縮流體在長 微流道的流力性質，這在文獻上尚未被討論過。這數值計算方法就是利用 reduced Navier-Stokes 方程式作為理論基礎，另外再採用Baldwin-Lomax turbulence model 來計算紊流黏滯力。 這數值計算的優點，在於它的統御方程式是一個具有拋物線型特性的 方程式。它採用了一個在空間中有效行進的方法來求解統御方程式，速度 上至少比完全Navier-Stokes 方程式快上百倍到千倍。這是因為非穩態的 Navier-Stokes 方程式是一個結合著雙曲-拋物兩種線型的數學特性，因此它 必須對時間做積分直到穩態的解出現為止，這過程顯得相當沒有效率。 本程式將用來模擬在微流道內可壓縮層流跟紊流流場，而數值計算結 果將與既有的實驗資料做比較。而從比較的結果可告訴我們應用在傳統大管徑的紊流模式是否可應用在預測微流道的紊流流場。本研究所使用的程 式也將用來研究在微流道中，不同的深寬比（流道高度/流道寬度）對可壓 縮層流跟紊流流場摩擦特性的影響。這影響在傳統管徑不可壓縮層流及紊 流流場已經被證明計算出來，但是對於在可壓縮流微流道的影響卻是沒有 被記載著。如果本程式能發展成功，將會提供研究微流道流場一個快速有 效率又正確的研究工具。[[sponsorship]]行政院國家科學委員

An Aerodynamic Study of Vertical-Axis Wind Turbines

[[conferencedate]]20130523~20130526[[booktype]]紙本[[iscallforpapers]]Y[[conferencelocation]]Taichung, Taiwa

垂直軸阻力型風機流場之數值模擬

[[abstract]]本研究使用計算流體力學軟體進行阻力型風機之流場模擬，分別求解兩葉片C型轉子加上由四片、六片、八片導風板構成的外罩及六葉片C型轉子加上四片、六片導風板構成的外罩之平均力矩及速度向量圖，並將數值結果與實驗數據比對，驗證最適合模擬阻力型風機的紊流模式及計算流體軟體應用於實際風機效能之分析的可行性。研究結果發現不同的紊流模式對於得到的解影響甚鉅，且網格數以及收斂條件的設定同樣影響模擬結果，尤其當模擬高轉速低力矩時的流場狀況，力矩過小若是沒有較嚴謹的收斂條件難以捕捉準確的力矩，誤差較大，但整體力矩的變化趨勢及速度向量圖和實驗相符，驗證了計算流體軟體模擬此種風機的可能性。[[sponsorship]]淡江大學航太系[[conferencetype]]兩岸[[conferencetkucampus]]淡水校園[[conferencedate]]2014/11/18~2014/11/19[[booktype]]紙本[[iscallforpapers]]Y[[conferencelocation]]淡江大學淡水校

小型水平軸風車性能分析

[[conferencetype]]兩岸[[conferencedate]]20120901~20120905[[booktype]]紙本[[iscallforpapers]]

An Aerodynamic Study of Small Horizontal-Axis Wind Turbines

[[abstract]]Computational fluid dynamics software, FLUENT, was used to simulate the flow field of small horizontal-axis wind turbines (HAWTs). A series of tests were conducted in a low speed wind tunnel to validate the numerical results. Our study demonstrates that grid density very near the blade surface has decisive effects on the accuracy of numerical solutions. The discrepancies between calculated and experimental power coefficients were larger for two-bladed HAWTs but smaller for three- and six-bladed HAWTs. The trends of the performance curves obtained numerically are close to that obtained experimentally. Our conclusion is that FLUENT can be a useful tool in the design of small HAWTs.[[sponsorship]]淡江大學[[conferencetype]]國際[[conferencetkucampus]]淡水校園[[conferencedate]]20140623~20140624[[booktype]]電子版[[iscallforpapers]]Y[[conferencelocation]]台

[[alternative]]微圓管滑動氣體流場摩擦特性之探討

[[abstract]]The present work studies the friction characteristics of gaseous slip flow in microtubes. The reduced diameter of microtubes has significant influences on the flow. The degree of influence depends on the Knudsen number. If the Knudsen number is in the range of 10−3 to 0.1, the fluid can be assumed to be a continuum but a slip boundary condition at the tube wall has to be employed to account for the incomplete tangential momentum and energy exchanges between the gas molecules and the wall. Although slip flow in microtubes can be investigated by solving numerically the compressible Navier-Stokes equations, the hyperbolic-parabolic character of the equations makes it very inefficient. The very large length to diameter ratio of microtube flows suggests that they can be predicted accurately as well as efficiently by solving the compressible boundary-layer equations. The parabolic character of the boundary-layer equations renders the present method a very efficient and accurate tool in studying slip flows. The results confirm the findings of earlier investigators that the product of f . Re is smaller for laminar microtube flows than that predicted by the conventional theory when the flow is in the slip region.[[incitationindex]]SCI[[incitationindex]]EI[[booktype]]紙

Numerical Analysis of heat transfer for Steady Three-Dimensional Compressible Flow in Long Microchannels

[[abstract]]Heat transfer characteristics for compressible flow in microchannels have been infrequently studied both experimentally and numerically. Experimentally, this was due to the difficulties in fabricating micro temperature sensors. Numerically, this was due to the long computational time and large memory required in simulating the full Navier—Stokes equations three dimensionally.This study develops an efficient three-dimensional numerical procedure to investigate heat transfer characteristics of steady compressible laminar flow in long microchannels.The proposed numerical procedure solves the reduced compressible Navier—Stokes equations. Two boundary conditions, a constant wall heat flux and an isothermal wall, were simulated in this study. The local Nusselt number in microchannel flows subject to a constant wall heat flux diminishes considerably along the channel axis.The effect of heat flux on the friction characteristic of microchannel flows was also examined. The effect of pressure ratio on the local Nusselt number was investigated. The local Nusselt number in microchannel flows subject to an isothermal wall was found to behave quite differently compared with that of conventional channel flows. The reasons for the differences were explored and discussed.[[notice]]補正完畢[[incitationindex]]SCI[[incitationindex]]E

[[alternative]]Numerical Simulation of Long Microchannel Flows with Expansion or Contraction

計畫編號：NSC95-2221-E032-023-MY2研究期間：200608~200707研究經費：412,000[[abstract]]具有收縮或擴張截面的流道出現在許多流體元件或系統上，此類裝置 在工程上具有廣泛的應用，這類問題在傳統尺寸的流道上前人都用實驗或 數值的方法詳盡研究過。微流體元件或系統上不可避免也有此類裝置，但 在已發表的文獻上很難找到有關具有收縮或擴張截面的微流道的研究(不論 是實驗或數值方面)。絕大部分數值方法在研究具有收縮或擴張截面的傳統 流道使用full Navier-Stokes方程式，因為受限於計算機時間及記憶體，模擬 的區域通常限制在收縮或擴張截面附近的區域。我們尚無法在已發表的文 獻上找到有關具有收縮或擴張截面的長微流道的數值研究，這是因為微流 道的長度與水利直徑的比通常都很大，模擬起來很耗費電腦資源。本計畫 主持人在幾篇最近發表的論文裏已證明用boundary-layer equations和reduced Navier-Stokes equations可以很精確而快速的計算長微流道的流場。過去有幾 位研究者發表的論文也證實boundary-layer method加上inverse method可成 功的用來模擬具有小分離回流區(small separation bubbles)的外流場或內流 場，同時模擬結果與用full Navier-Stokes eqautions模擬所得的結果非常接 近。 本計畫將把主持人之前發展的程式與inverse method結合起來，使其能 用來計算不可壓縮流體在具有收縮或擴張截面的二維及三維長微流道的層 流與紊流流場。本數值計算的優點在於它的速度比解full Navier-Stokes equations 快上數百倍。這是因為full Navier-Stokes equations 是一組 hyperbolic-parabolic equations，它們必須被沿著時間軸積分直到得到穩態 解，故非常花時間。本計畫所用的方程式是一組parabolic equations，若流場 沒有分離，它們只要被沿著管軸由入口一站一站計算到出口即可得到穩態 解，故速度快很多。本文所提方法計算結果在流道入口及分離區較不精確， 但其精確程度仍然足以使用在許多工程應用上。微流道的雷諾數通常都很 小，這樣小的雷諾數對管道裏流場分離的影響是一有趣的課題也很少被探 討過，本研究可增加吾人對微流道的傳輸及分離現象的瞭解，對未來設計 微流道元件及系統時也有很大幫助。[[sponsorship]]行政院國家科學委員