似龍捲渦旋之探討

Research on Tornado-Like Vortices

林秉煜(Ping-Yu Lin)

指導教授 ： 郭鴻基

國立臺灣大學/理學院/大氣科學研究所/碩士(2004年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2004.00698

摘要

本研究主要改善由陳正平與郭鴻基兩位教授所合作發展的模擬龍捲渦旋產生儀器；針對儀器所得到的實驗結果，渦旋會呈現柱狀之片流渦旋，但是此渦旋只有上升運動，不會類似實際的龍捲風在中心有下沈氣流的出現，或是出現上層亂流區。本論文針對之前的儀器進行改良，使得此儀器實驗可以產生和大自然的龍捲風更為相似之渦旋。
本論文參考了Ward (1972)和Church et al. (1979)之前做的實驗儀器。在本實驗儀器裡面加入了擋板(baffle)，而且將之前儀器輻合區扇葉改良為可調式的。擋板的目的是為了提供一個下沈氣流的上邊界條件。而可調式的扇葉則方便我們控制內流角，以分析因為不同內流角所產生不同切向風與徑向風的比例，探討渦旋半徑以及渦旋結構之關聯。
實驗中可以發現，在相同的結構比例之下，似龍捲渦旋半徑會隨著內流角θ的增加而增加。而渦旋結構，會因為Swirl ratio(S)的漸增，產生單一渦旋、渦旋崩潰、雙渦旋互繞，甚至有三渦旋互繞的結構出現。我們也整理了Swirl ratio在各個渦旋結構過渡的臨界值，其結果和Church et al. (1979)的實驗類似。
在儀器實驗中，亦觀測到釵h細絲帶在渦旋的周圍，我們以角動量守恆及動能守恆來解釋這些細絲帶之成因。並透過數值實驗，模擬三維渦旋在增強的過程中，渦旋為了保持角動量守恆，而外放出來的渦度帶和細絲帶是有關係的。從數值實驗結果發現在渦旋內縮，渦度外放的同時，渦旋周圍的氣壓擾動和渦度細絲的分佈相符合，而且比較渦旋周圍的氣壓擾動和實際觀測的氣壓擾動，發現結果非常的相似。因此我們認為外放的渦度帶和造成氣壓的擾動是有相關性的。

關鍵字

似龍捲渦旋 ； 塵捲風

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無資料

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Swirl ratio

參考文獻

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