[发明专利]涡流消除结构

说明书

技术领域

本发明是有关一种涡流消除结构，尤指一种在柱状体的前端面设置三角锥，以消除马蹄状涡流的结构。

背景技术

当一柱状体a立于一地面上，并沉浸于流动的流体之中时，柱状体a与地面的交界处(junction)附近会产生马蹄状涡流(horseshoevortex)b，其形状如图7所示。此马蹄状涡流b可能会有1、2或3个，其涡流个数依流体流动的速度、流体的粘滞系数、迎向流体的柱状体a最大宽度以及流体流动时，假设柱状体a不存在该位置而在该位置的面边界层的厚度而定。

这些马蹄状涡流b的形成原因如图8和图9所示，图8是使用激光测速仪量测一支圆柱与一片平板交界处正中央垂直截面的速度场所得到的结果；图9是依据图图8画出的流动拓朴学示意图。其中，因为柱状体的存在，使得流体接近柱状体时减速，同时压力增大形成逆压梯度，并在柱状体的表面上形成一个停滞点。在停滞点下方的流体沿着柱状体的表面往下流动，遇到地面时再朝上游方向逆流，这一股沿着地面逆向流动的流体与原来上方顺向流动的流体形成一层介面，因顺逆两方向流动而造成的摩擦，在介面处形成1、2或3个涡旋，这些涡旋受到顺向流动流体的带动，便绕过圆柱两侧而形成如图7的马蹄状涡流。

如果将流体流动的速度(U)、流体的粘滞系数(ν)、迎向流体的柱状体最大宽度(D)组合成一个无因次的参数「雷诺数」(Reynoldsnumber,Re)Re≡UD/ν。当雷诺数Re大约在100–6000之间，有机会形成涡流数目固定的稳定马蹄状涡流；而当Re>6000以上时，马蹄状涡流仍然会出现，但是涡流数目不稳定，会随时间改变。

在实际工业应用上，例如：桥梁及热交换器等，马蹄型涡流会造成许多负面影响。其中，在桥梁的应用方面，因为马蹄型涡流的生成，会使得地面剪应力增大，造成桥墩周围的河床产生冲涮坑洞(scour)，冲涮坑洞将引致流场在坑洞周遭产生更大的下洗现象，随着时间的衍化，坑洞的直径变大，坑洞的深度加深，最终让桥墩的基部无法有效定位，使得桥梁面临断裂的风险。而对于热交换器而言，冷却管及散热片的交界处，也是属于柱状体与面交界处的流动问题，其马蹄型涡流是造成冷却管与散热片交界处的热传性能降低的主要原因。因此，消除柱状体与面交界处附近马蹄型涡流的技术，在工业应用上是有需求的。

而为了消除柱状物与面交界处的马蹄型涡流，过去有研究曾经提出改善的方法。如图10所示，在以圆柱为基础点的上游处使用一个吸气装置c，而如图11所示，在以柱状物为基础点的上游处安装一支控制圆杆d，此圆秆向柱状物倾斜并且贴附在柱状物上。上述吸气装置或倾斜控制圆杆的应用，主要是改善圆柱上游处的地面的流体边界层条件，以抑制马蹄型涡流的形成。但是，安装吸气装置c的方式在有砂砾的河床上并不适用，且会耗用能源；而安装倾斜控制圆杆d的方式则需要精准的将控制圆杆定位在马蹄型涡流处，才能部份抑制马蹄型涡流的形成，但由于马蹄型涡流的形成位置与流体流动的速度有关，所以在实际应用时，因流速不断的改变，不容易精准定位。

发明内容

有鉴于此，为了提供一种有别于现有技术的结构，并改善上述的缺点，发明人积多年的经验及不断的研发改进，遂有本发明的产生。

本发明的一目的在提供一种涡流消除结构，借助在一柱状体的前端面设置三角锥的结构，使能解决在柱状体的前端面形成马蹄型涡流的问题，而能让流体顺畅的流动，以延长桥梁的使用寿命，或提高热交换器之类产品的热传效率。

为达上述的目的，本发明提供一种涡流消除结构，连结一柱状体，该柱状体的一端连接一板面，且该柱状体供置放于一流体之中，该柱状体迎接该流动流体的接触面界定为该柱状体的前端面，该涡流消除结构呈三角锥形，包括一底面、一边缘及由该边缘的两侧分别向下延伸的一第一侧面及一第二侧面，该底面紧临该板面，该边缘的后端、该第一侧面的后端及该第二侧面的后端分别连接该柱状体的前端面，该边缘、该第一侧面及该第二侧面分别以远离该柱状体的前端面的方式向前延伸，并结合呈一尖端。

本发明的一个实施例中，其中，该柱状体面向流体流动方向的最大径向宽度为D，该柱状体前端与该尖端的水平距离为L，该第一侧面与该第二侧面的水平张角为α，该边缘的仰角为β，该三角锥形的参数范围为L/D≥0.75，α≤90°，β≤60°。

本发明涡流消除结构避免了流体在柱状体的前端面形成马蹄型涡流，从而延长桥梁的使用寿命，或提高热交换器的类产品的热传效率，其使用范围相当广泛。

为进一步了解本发明，以下举较佳之实施例，配合图式、图号，将本发明之具体构成内容及其所达成的功效详细说明如下。