重力驅動顆粒-流體兩相流場之理論與實驗研究(3/3)

流體-顆粒混合物的流動行為常被發現在許多工業應用中，並也存在於許多自然災害中。此類流場主要是一個包含固體顆粒和液體的流場，此時顆粒之間的空隙主要是部份或完全被液體所佔據的。儘管在過去，關於地質物理學上有許多模型、計算和實驗被發展出來，但這種流體-顆粒多相流的研究不論在理論和數值模擬或實驗量測上仍然是一個很具挑戰性的課題，因此本計畫是針對流體-顆粒混合物的流動行為，進行為期三年的研究。本三年期計畫的相關研究，皆是對於流體-顆粒混合物的流動行為做探討與研究，並且透過實驗來進行驗證。研究成果期待能在將來對災害的預估、評斷有所益處。本計畫第一年度主要針對量測技術進行開發和整合，並建置一個測試用單相流場或疏鬆兩相流場實驗設備，並利用此系統來確定這個新量測方法的可實現性和準確性，實驗結果發現，只要是在兩相流場中，會因為固相顆粒的加入，使整體流場中流體的最大速度區域會遠大於純流體的整體平均速度，但是從流場的整體平均速度來看，則會比純流體時的平均度速低；而隨著顆粒尺寸的變小，顆粒垂直於流場方向流動平均速度同時也會降低。本計畫第二年度主要利用第一年所開發之新型量測技術，並建置一個二相流矩形滑槽，設置局部填充水、沙以模擬於崩塌過程中，各個特徵時間下之速度。並分別針對當沙子及水於不同充填高度做實驗，實驗結果發現，水及沙的最大速度會呈現有兩個轉折處的趨勢，這是因為撞擊到底部後所產生的能量吸收以及反饋現象，以及水的添加高度決定了二相流整體的最快速度，並且也觀察到，沙子對於整體流動具有緩衝的效果，當其堆疊高度愈高，會降低整體二相流的流速。第三年度則是使用第二年度之滑槽進行改造，設置全局不同比例水、沙之崩塌試驗，並且針對不同特徵時間下，量測其沙子流動之速度分布。其中發現全局填滿水液體，同樣也會對於整體崩塌會有反饋之現象，同時將使沙體之崩塌速度分布明顯與局部填水不同，且崩塌時間減少。