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高壓預混紊流燃燒最小引燃能量量測

本論文針對壓力和紊流耦合效應對最小引燃能量(minimum ignition energy, MIE)之影響，進行定量量測和分析研究，進而提出一物理模式來解釋實驗結果。以貧油甲烷/空氣(當量比? = 0.6) 為預混燃氣，利用本實驗室已建立之大型高壓雙腔體設計之十字型預混紊流燃燒爐，使用平頭火花電極置於測試區中央處，以高功率脈衝產生器，定量控制中央火花放電電極之引燃能量，量測在層流和不同紊流條件下之MIE值。有關紊流之控制，乃由一十字型風扇擾動式內爐所提供，它置於一可吸收爆炸壓力之大型安全外爐內，在十字型內爐水平圓管底端兩側配置一對反向旋轉風扇與空孔板，可於十字型內爐中央區域產生一近似等向性紊流場，其平均速度幾可忽略，而方均根紊流擾動速度(u?)最高可達約8.42 m/s。我們也針對兩種計算MIE之統計方法，進行介紹和比較。實驗結果顯示，MIEL和MIET值均會隨壓力之增加而顯著下降，其中下標L與T分別代表層流與紊流時之值。如同在常壓條件下，我們發現引燃轉折現象也存在高壓條件下，即MIET/MIEL = ?值會先隨正規化紊流強度u?/SL值之增加而呈線性增加，但當u?/SL值大於某臨界值時，?值會呈現大幅驟升之變化，SL為層流燃燒速度。另外，我們也利用Schlieren紋影顯像技術觀測高壓紊流火核影像，用以瞭解引燃轉折前後之火核結構轉變。經引入一壓力修正因子，對先前在常壓時所獲得用以解釋常壓引燃轉折現象之物理模式，即火核反應區Péclet數(Pe)小於某臨界值Pec時?1 = 1 + c1Pe，而Pe > Pec時?2 = 1 + c2 (Pe4 –c3)進行修正，其中Pe = u??K/?RZ，即火核之紊流與化學反應間擴散強弱之指標，?K為Kolmogorov長度尺度，?RZ為以平均溫度Tm所估算之反應區熱擴散係數；所修正後之物理模式，可表述為當Pe* < Pe*c時，?1 = 1 + c1Pe*，Pe* > Pe*c時?2 = 1 + c2 (Pe*4 –c3)，其中經壓力修正之Pe* = Pe(p/p0)-1/4，p0 = 0.1 MPa。此修正後之物理模式可合理地解釋高壓引燃轉折之結果，此研究結果將對許多燃燒相關應用 (如內燃機等)有所助益。

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固態氧化物燃料電池封裝玻璃與金屬連接板接合件潛變性質分析

本研究主旨在探討經過不同時效處理之GC-9封裝玻璃陶瓷燒結試片，在800 oC下的潛變性質與破壞模式，並探討金屬連接板不銹鋼(Crofer 22 H)與封裝玻璃陶瓷接合件於800 oC下之潛變性質與不同負載模式下之破壞形態。 實驗結果顯示，經過1000小時時效處理後之GC-9玻璃陶瓷燒結試片，於相同的應力負載下，其變形量比未時效及100小時時效之試片來得低且具有較長的潛變壽命，此乃於結晶量較多及粗大化所致。藉由最小應變率來看，未時效試片之最小應變率明顯高於其時效處理後的試片，由此可證，時效時間越長，抵抗潛變變形的能力越高。在潛變壽命方面，欲達到1000小時以上之壽命，未時效、100小時時效及1000小時時效所施加的應力負載分別需小於6 MPa、9 MPa及15 MPa，再次證明經由時效過後的試片，所能承受之負載較大，抵抗潛變變形的能力越高。 關於GC-9玻璃陶瓷與Crofer 22 H金屬連接板接合件的潛變性質，接合件試片於800 oC下的剪力與拉力潛變壽命會隨著負載減少而增加。在剪力試片方面，具1000小時壽命的潛變強度約為剪力接合件強度的四分之一，而張力試片具1000小時壽命的潛變強度則約為張力接合件強度的百分之九。另外，對於剪力及張力潛變試片，不論其潛變壽命長短，其裂紋皆始於尖晶石與鉻酸鋇層之界面，隨後沿著鉻酸鋇層生長，而後在鉻酸鋇層與玻璃陶瓷基材之間交替遊走，最後在玻璃陶瓷基材內發生破壞。

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光電化學產氫反應器之熱流特性分析

本研究分析光電化學反應器內的熱傳與流場特性，並探討反應器設計對熱流特性與產氫效率的影響。使用ANSYS FLUENT套裝軟體作為數值分析的工具。主要研究的參數有反應器的幾何外型與熱傳機制設計、光電極材料能隙、照光密度與量子效率。模型中並考慮AM 1.5的太陽光照射進入反應器後，與玻璃、水及各壁面的輻射特性交互作用。 研究結果顯示，使用方形反應器於照光密度4000 W/m2、量子效率 30 %的條件下，若僅使用短波能量產氫，對應1.5 eV、2.0 eV、2.5 eV和3.0 eV的光電極之理論產氫量分別為251 L/m2-hr、150 L/m2-hr、73 L/m2-hr及25 L/m2-hr；若加入分光機制，有效地利用長波和短波中因量子效率無法用於產氫的能量，將之利用加熱反應器降低分解電位；在case 3的絕熱材加玻璃反應器設計將可提升產氫量至271 L/m2-hr、161 L/m2-hr、79 L/m2-hr及27 L/m2-hr。而理論產氫效率可由22 %、13 %、6.5 %及2.23 %，於case 3中可提升至24 %、14 %、7 %及2.4 %。

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固態氧化物燃料電池連接板用不銹鋼之潛變與熱機疲勞性質研究

本研究針對平板式固態氧化物燃料電池連接板用兩款肥粒鐵系不銹鋼(Crofer 22 APU及Crofer 22 H)之潛變與熱機疲勞性質進行分析。高溫拉伸試驗分別在室溫、600oC、650oC、700oC、750oC及800oC的溫度環境中進行，以建立Crofer 22 APU和Crofer 22 H不銹鋼在上述不同溫度環境下的應力－應變關係。而兩款不銹鋼之潛變試驗分別在650oC、700oC、750oC及800oC進行，以建立基本的潛變應變—時間曲線及應力—斷裂時間曲線，並進一步求得不同應力下第二階段的最小應變率。另外，導入幾種壽命評估分析模式，找出潛變斷裂時間與施加應力或最小應變率的關聯性，以預估兩款不銹鋼的潛變壽命。並比較Crofer 22 APU及Crofer 22 H兩款不銹鋼拉伸及潛變性質，以了解多添加Nb及W微量元素的Crofer 22 H鋼對拉伸性質及潛變機制之影響。此外，Crofer 22 H不銹鋼之異相熱機疲勞試驗在週期性溫度(25oC-800oC)及異相應力作用下進行，而熱機疲勞—潛變交互作用試驗則在800oC最小施加應力給予額外持時100小時，以探討Crofer 22 H不銹鋼於平板式固態氧化物燃料電池長期運轉條件下之耐久機械行為，並定量分析各種損傷機制對此款不銹鋼熱機疲勞壽命的影響程度。 研究結果顯示Crofer 22 APU鋼材之降伏強度隨溫度的變化可藉由S型關係式伴隨不同變形機制得到不錯的描述，其降伏強度在300oC至500oC主要是受到高溫軟化及動態應變時效機制影響，而在700oC以上主要是受到高溫軟化及動態析出機制的交互作用。此外，根據潛變應力指數、活化能及微結構觀察，得知Crofer 22 APU的潛變變形機制主要為擴散控制之差排潛變，而Crofer 22 H的潛變機制乃是差排潛變伴隨即時析出強化效應。比較此兩款金屬連接板材料，發現Crofer 22 H比Crofer 22 APU有較佳的拉伸及潛變強度，此可歸因於Crofer 22 H鋼中Laves相的析出強化效果。而Laves相的粗大化為Crofer 22 H在800oC長時間低應力下抗潛變能力減弱的主要原因。在潛變壽命評估方面，發現利用Monkman-Grant關係式來描述Crofer 22 APU及Crofer 22 H之潛變行為有相當不錯的結果。另外，將不同溫度下的施加應力以抗拉強度正規化後，發現以此正規化參數來預測兩款不銹鋼潛變壽命的結果相當不錯。而利用Larson-Miller關係式來整合兩款不銹鋼之潛變壽命、施加應力與溫度也有不錯的效果。此外，Crofer 22 APU及Crofer 22 H試片經潛變試驗後，破斷面具有許多韌窩之延性破裂特徵。 Crofer 22 H鋼之熱機疲勞研究結果顯示，未持時熱機疲勞負荷下循環壽命數會隨著800oC施加應力的增加而減少，而與室溫時施加應力值幾乎無關。此外，未持時熱機疲勞壽命主要受到週期性高溫軟化塑性變形機制的影響。在持時熱機疲勞負荷方面，於800oC施加應力持時100小時會導致循環壽命數明顯減少，主要歸因於疲勞與潛變機制的加乘作用所致。另外，持時熱機疲勞損傷主要是由潛變與潛變—疲勞交互作用兩種機制所造成，其中的潛變損傷比率會隨著800oC施加應力減少而增加，而隨著循環壽命數增加而上升。

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波長調制外差散斑干涉術應用於角度量測之研究

本研究開發一套「波長調制外差散斑干涉術」，可用以進行精密滾轉角度量測。利用雷射二極體之波長可隨外加電流調制的特性，用以產生外差光源，可克服傳統利用旋轉波片、電光調制器及聲光調制器等商用外差光源調制元件所產生之缺點。該波長調制外差散斑干涉術搭配自行開發的相位調解程式，可擷取因待測物旋轉時所引入的角位移變化資訊，藉由弧長與轉動角度間的數學關係式，回推待測物之角位移量。本系統光學原理簡單、易於架設、成本低及待測物表面不需經過特別處理等優點，可克服其他滾轉量測系統的缺點，是一套極具開發價值的滾轉量測系統。 本系統之理論解析度可達1.08 ?deg，考慮環境雜訊、機械振盪等因素，經實驗證明本套系統可量測之最小解析度為0.00048°，靈敏度為0.081°/?deg，系統最大可量測之速度極限為0.29°/s，可量測之最大相對滾轉角度保守估計為0.08°，其原因主要受限於干涉訊號對比度消長的問題。 本論文除了針對可能造成量測系統的誤差進行討論外，也提供可能影響干涉訊號對比度之參數進行測定實驗結果，以期待未來能夠建構出適當的物理模型解釋干涉訊號對比度消長之現象以解決因其現象所造成量測範圍受限之缺憾。

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質子交換膜燃料電池堆組裝誤差對流場特性之影響

本研究以金屬發泡材取代傳統流道的設計作為設計基礎，探討質子交換膜燃料電池堆在組裝過程中，由於組裝應力對電池堆內元件可能造成的效應對於流場特性的影響。幾何外型使用商用繪圖軟體SOLIDWORKS繪製三維、且由十二顆單電池組成的燃料電池堆流體部分，使用CFD前處理套件Workbench內的MESH功能建構格點系統，匯入商用計算流體力學軟體FLUENT進行流場特性的數值模擬分析。以既有金屬發泡材取代傳統流道的設計，針對密封墊片侵入歧管深度、密封墊片遮蔽次流道面積、金屬發泡材滲透率的改變、以及氣體擴散層滲透率的改變，探討對電池堆流場特性的影響。 　　針對歧管尺寸，發現歧管直徑為5 mm為此流道設計下，較佳的歧管尺寸。而由本研究可知，當密封墊片侵入次流道深度比為7.5 %時，會使不均勻性指標大於10 %，且遮蔽面積愈大時，會使電池堆總壓降提升；而密封墊片遮蔽歧管深度為0.5 mm時，不均勻性指標會超過10 %，此時除了電池堆總壓降提升外，整個電池堆壓力降的主要來源則由發泡材部分，變為歧管部分影響最明顯；當電池堆中，各單電池金屬發泡材滲透率最大誤差在20 %以內時，對流場均勻性的影響不大，僅會影響電堆流量分布以及壓力降分布型態；而當氣體擴散層的滲透率最大誤差達80 %時，對電池堆均勻性以及分布型態皆無明顯影響。

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尺寸效應對於圓環鍛粗加工變形行為之影響

在塑性變形中圓環鍛粗為最常用來探討摩擦因子之方法，由Kunogi[1]文獻中發現其6:3:2(外徑:內徑:高度)為最常用之圓環比例，上述比例圓環稱之為標準圓環。故本文利用車削製作出標準圓環比例，不同尺寸大小的圓環試片來進行圓環鍛粗加工實驗，探討其圓環試片之實驗結果，針對試片尺寸的不同，其變形結果是否會因尺寸效應的存在而造成摩擦因子的變化為研究重點。

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顆粒物質受束制壓力負載之力學分析

本研究主旨在探討聚苯乙烯顆粒物質在壓克力容器中受頂部束制壓力負載之力學行為，並探討不同顆粒大小以及顆粒堆高度對於相關力學行為之影響。透過不同高度位置應變之量測及廣義虎克定律，探討顆粒堆之應力隨高度變化之情形。實驗用聚苯乙烯顆粒之直徑大小分別為 4.5 mm及6 mm，填充高度分別為100 mm及200 mm，藉以分析顆粒堆高度及顆粒大小對顆粒體受束制壓力負載力學響應之影響。另以商業用離散元素法分析軟體模擬6 mm直徑之顆粒填充於壓克力容器內200 mm 之高度所得到的計算結果與實驗數據相比對。 實驗結果顯示，在束制壓力負載過程中，不論顆粒大小以及顆粒填充之高度，隨著頂部力量值增加，顆粒體與壓克力容器之間之摩擦力也隨之增加。於過程中顆粒受壁面摩擦力之影響，顆粒堆內相關應力值由高處往低處遞減。在具有相同顆粒大小分別填充不同高度進行束制壓力負載下，較高填充高度的顆粒堆，其應力在頂部與底部之差距較大。將兩種不同顆粒大小分別填充相同高度，小顆粒於束制壓力負載時，顆粒堆上層部分之應力差距較大顆粒為明顯；而小顆粒於顆粒堆下層部分之應力差距相較於大顆粒為小。離散元素法模擬求得之顆粒體垂直應力與水平應力、壓克力壁面與顆粒體間之剪應力、側壓力係數以及整體壁面與顆粒摩擦係數皆與實驗之趨勢相符，因而證明模擬之結果之有效性。

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以反應曲面法建立圓環鍛粗加工摩擦模型

在鍛造過程中模具與胚料間的摩擦為影響材料變形的主因之一，圓環鍛粗為成熟且常見之探討界面摩擦行為之平台，為瞭解等向性或非等向性摩擦造成的材料變形，利用圓環鍛粗實驗結果來建立迴歸模型並探討比較模型性質。迴歸模型使用反應曲面法(RSM)重新設計葉[26]與林[27]之圓環鍛粗實驗，以三水準全因子實驗設計之概念建立實驗點，最後以二階含交互項之模型迴歸並以指標變數結合不同定性區域得到迴歸模型；建立包含摩擦等向性與異向性之完整迴歸模型，以預測鍛粗加工塑性變形行為。

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2-kW級太陽追蹤器結構變形與追日偏差分析

本研究主旨在利用有限元素分析法(FEA)，探討一組2-kW級太陽光電系統之太陽追蹤器受到重力及風力作用下，其結構變形和PV模組的追日偏差量。分析的條件分別為無風之自重狀態，以及在風速為7 m/s、12 m/s和37.5 m/s之情況，在每個風速作用下又各別分為風從太陽追蹤器的正面(0o)至背面(180o)，以30o為一間隔吹來之七種風向；而在風速37.5 m/s的作用下，太陽追蹤器停止運作並以仰角0o插上安全插銷作為分析條件。此外，本研究亦分析此太陽追蹤器之自然振動頻率作為設計及安裝參考，避免結構共振之發生。同時藉由量測此太陽追蹤器二個選定位置在實際操作情況下之應變變化，與模擬結果作比對，以驗證本研究所建立有限元素分析模型之有效性。比對結果顯示，模擬結果之應變改變趨勢和實驗結果一致，此一致性證實本研究所建立之有限元素分析模型之有效性，可適用於分析太陽光電系統之結構變形。 根據von Mises破損準則，模擬結果顯示此太陽追蹤器在受到重力加上風速為7 m/s、12 m/s或37.5 m/s的作用下，預期各個組件將不會有永久變形之情形發生。模擬結果亦顯示此追蹤器在不同追日角度受重力及不同風力作用下，PV模組追日偏差量的變化趨勢與其總位移的變化趨勢一致。此外，產生較大追日偏差量的PV模組皆位於受風前緣面板中的一個。除了在風速37.5 m/s的作用下，在其他所有分析情況中，PV模組在風速為12 m/s並從其正面(0o)吹來的情況下會有最大的追日偏差量，其值為1.48o。由於此偏差角對於此PV模組發電效率影響很小，所以預期此太陽追蹤器在風速為12 m/s的作用下仍可以正常運作，不會有明顯的發電效率下降，同時在正常的運作之下，不會有結構破損之情形發生。自然振動頻率分析結果顯示其前六個振動模態的自然頻率值落在3.85 Hz至11.4 Hz之間，未來在架設此太陽追蹤器時應考慮所在地之風場的頻率。