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顆粒崩塌流場之動力行為: 實驗與模擬之研究

顆粒材質在傾斜面上經重力驅動造成流動的現象是在許多工業上重要的應用或常見於地球物理相關領域。而目前諸多對於此類崩塌流場的學術研究，皆視為一個顆粒流的狀態，即針對一堆粒子所造成崩塌流場的現象去做其分析研究，所以顆粒崩塌流的研究，成為此類研究核心的部份，也是最基礎與最重要的部份。 本論文將針對顆粒崩塌流場的動力行為在實驗與模擬上做為研究。 在實驗部分將提出一個透過表面量測方法來估算當顆粒流體於矩形滑道中加速運動時的體積佔有率之變化。我們將設計一個傾斜角可變動且長150公分、寬5公分的矩形流槽。利用四個不同的傾斜角來做顆粒體加速運動的測試量測，而角度的變化範圍也包含了所使用的顆粒體的內部摩擦角。為了觀察顆粒體運動時自由表面與底層表面加速運動的情形，在滑道上下兩側均架設鏡子，以反射出顆粒運動時的影像。之後再利用PIV(Particleimage velocimetry)去計算顆粒流體的速度與流體厚度，且利用電子天秤去量測流體的質量流率，接下來利用線性內差去計算出流體的體積流率並推算出最後的顆粒體積佔有率。此外我們也將針對此線性內差去做敏感性的測試(Sensitivity analysis)，經過分析過後發現誤差約為±6%，也就是說我們所選用的內差法對於所計算出來的顆粒體積佔有率並沒有太大的影響。而最後所計算出來的顆粒體積佔有率，我們也將透過直接擷取量測的方法去做一個驗證，也證明利用內差法所計算出來的結果是正確的。相較於其他非直接量測的方法，例如：MRI (Magnetic resonance imaging) 或PEPT(Radioactive positron emission particle tracking)，本論文所發展出來的方法是比較符合經濟效益以及安全性的方法。在四個不同傾斜角的實驗測試中所推算出的體積佔有率的變化分佈，可以發現呈現兩種現象。而此分界點也剛好是顆粒體的內部摩擦角。兩個較小的傾斜角測試中，體積佔有率呈現線性遞減。但較大的兩個傾斜角則呈現出凹面曲線(concave)的分佈。 而在模擬部分，本論文也發展一個針對乾顆粒流場的運動行為之二相混合動力模型，此乾顆粒流場之間隙流體將視為空氣。此模型為包含二相的質量守恆及動量守恆方程式的二維動力模型。流體在流動過程中，空氣進出流體表面的物理現象也被考慮於此動力模型，而且空氣進出顆粒流體的量與顆粒流體擠壓或拉伸行為有關。因顆粒體與空氣之密度相差甚大，經過因次分析之後，模型統御方程式也呈現流體運動行為被顆粒體所主導的現象，也導致固氣二相速度差距很小。數個模擬測試結果也展現出此模型理論可對於顆粒流場運動行為做一預測之能力， 第一個測試為模擬一個穩態流場流經一個隆起物。第二個測試則模擬流體在一個平面上，且初始狀態為一個不穩定狀態的流動行為。第三個測試則是在各種不同初始狀態下，模擬壩體崩塌的問題。第四個測試則模擬一團有限質量的顆粒流體於傾斜面崩塌並最後於平面上沉積的流動行為。最後也將模擬結果與實驗結果做對照，皆呈現出非常吻合的結果。期待本論文的研究結果對於未來探討顆粒崩塌流場相關研究有新的參考價值。

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元件構成之分負荷系統與備用系統之可靠度比較

藉由動態可靠度模型可預測系統平均壽命，以此依據為評估系統設計之重要指標。一產品在設計結束，加工製造之前，其可靠度已大致決定，故欲擁有一高可靠度的系統，從設計階段著手乃其根本。本文藉由條件機率法與馬可夫鏈法對非等強度分負荷(k,n)系統進行分析，討論負荷相關等值失效率及負荷相關累積失效率之分負荷(k,n)系統，並以黃舉錐博士所提出之「分系統壽命相同」策略對其進行最佳負荷分配設計。以裕度觀點為考量，乃希望能爭取較多的緩衝時間以進行維護保養亦或更換等應用，故可選擇備用系統作為設計策略。最後，考慮在相同元件個數條件下之負荷相關等值失效率系統，評估其為備用系統設計時之可靠度變化與平均壽命，並透過黃舉錐博士所提出之效用因子與裕度因子觀點使系統比較更具意義。

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以串聯觀點探討系統不同失效模式之效應

本論文係以串聯觀點，探討系統不同失效模式之效應，目的希望藉由失效誘因觀點，評估系統內子系統誘使系統失效之機率與可靠度退化過程。本文首先由變異係數建立潛伏性指標，藉以將系統失效之潛伏性質與以量化，並針對韋伯分佈模型與代數型模型之潛伏性質與反曲點進行探討，結果發現上述二種模型各自之形狀參數與其潛伏性指標和反曲點對應可靠度，彼此呈現一對一對一關係。 對於串聯形式可靠度模型以及h(R)模型，皆可透過相關之轉換得到類似混合形式可靠度模型之累加性質，如此可對具累加性質之串聯系統成份與以分類，藉以評估子系統誘使系統失效之機率，以及子系統壽命與可靠度退化過程等資訊。 對於部分串聯系統之子系統間通常彼此具有互動性，但傳統對於串聯形式可靠度模型，係基於子系統間彼此互斥或獨立之假設條件而成立，如此對於子系統彼此之互動關係則無法有效呈現，因此，本論文以h(R)模型建立可描述串聯系統子系統可靠度關係式，子系統彼此亦具有如串聯系統之正交性質，而無須基於子系統間彼此需互斥或獨立之假設條件，可將子系統間之互動性與以呈現。

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振動床中容器底盤粗糙因子對巴西豆現象之影響

本論文研究在垂直式振動床系統中改變容器底盤粗糙因子對巴西豆現象的影響。在實驗中首先藉由高速攝影機觀察紀錄顆粒體的動態行為，之後再藉影像技術及粒子追蹤方法計算出粗糙因子在不同振動條件下，大顆粒的垂直上升軌跡以及粗糙因子對顆粒體的傳輸性質的影響，最後討論粗糙因子在類二維系統及三維系統中對於巴西豆現象的影響是否一致。實驗結果顯示大顆粒的上升時間會隨粗糙因子的增加而增加，且在較小的無因次振動加速度及較大的振動頻率下，粗糙因子的不同對大顆粒上升時間的影響越明顯。大顆粒的滲透長度會隨著粗糙因子的增加而減少，粗糙因子越大，在每次振動下大顆粒與背景粒子間的消散的摩擦力也越大。此外，顆粒體的傳輸性質會隨著粗糙因子的增加而減弱，在粗糙因子較小的時候，因顆粒床所獲得的能量較多，故顆粒床的傳輸性質會比較強。在傳輸性質較強的情況下顆粒床流體化的現象會越明顯，造成分離現象較為顯著，大顆粒所需的上升時間也就較短；粗糙因子較大時，顆粒床體所能獲得的能量也較少，傳輸性質也會隨之減弱，顆粒床流體化程度降低也會造成大顆粒上升的時間增長。最後，實驗結果顯示不同粗糙因子對於巴西豆現象的影響在類二維系統與三維系統中相同。

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不同空調送風方式對於公共空間熱舒適度影響之模擬研究

啟動室內空調對空間進行降溫，若考慮空間中人數及所在位置，以改變空調的運作模式，即可減省空調所需能源。本研究將利用計算流體力學(CFD)的方法，以改變出風口開啟數量，配合不同出風流速、溫度及角度，探討冷卻目標物的所在位置變化如：出風口正下方、兩個出風口之間、四個出風口之間，觀察熱舒適度的影響程度。 　　出風口正下方的區域降溫，使目標區域達到舒適範圍且節省能源，以單一出風口表現較佳，因為多開啟出風口，使流場中的渦流變多，提高冷熱空氣混合，造成目標區域熱舒適度值偏高。另外以出風口、回風口與室內之溫度差及流量估算空調能源損耗，在兩個出風口之間的區域降溫，同樣維持目標區域在舒適範圍，挑選較節省能源的參數，以單一出風口配合出風角度表現較佳，而在四個出風口之間則以雙出風口配合出風角度表現較佳。 　　考量熱舒適度計算中的流速、溫度兩個變數，以改變出風口溫度對熱舒適度影響較大，且降低出風口溫度比降低流速節省的能源來得多。而空調運作初期以出風口低流速、低溫下較節省能源，長時間以提高出風口流速、溫度較節能。

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電化學放電加工於石英玻璃加工精度改善之研究

微機電系統近年來在科技工業上扮演舉足輕重的角色，其中光學 玻璃和石英等硬脆材料的應用與日俱增。電化學放電加工(ECDM)是 加工非導電材料的新興加工技術，具有殘留熱應力低、加工精度高、 加工速率快以及電極磨耗低等優點。 　　本文使用直徑100um之碳化鎢刀具作為工具電極，電解液採用 氫氧化鉀(KOH)溶液搭配不同濃度之乙醇(Ethanol)，利用電化學放電 加工對石英玻璃進行鑽孔，分別使用不同電解液濃度、電壓、頻率、 電解液高度等參數，對於氣膜穩定性、厚度以及加工精度造成的影響 作研究與分析。 　　實驗結果顯示，相較於未添加乙醇的電解液，在使用添加乙醇 6.5wt%的電解液作加工時，有較佳的表面過切量以及表面精度，並且 在加工時受到氣泡球的影響較少，電解液的對流效果也較好。添加 6.5wt%乙醇之電解液在過切量的表現上，比起未添加乙醇時，最多可 減少57%，而表面的熱影響區也大幅減少。

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紫外光輔助準晶矽薄膜在多孔層上之製作與研究

隨著時代的發展，半導體製程技術依循著摩耳定律（Moore，s Law）發展，目前進入奈米製程，開始28奈米和22奈米節點之量產。絕緣層矽晶（Silicon on insulator, SOI）材料結構具備可以解決於傳統矽塊材（Bulk Silicon）晶圓材料上製作尺寸越來越小之元件所帶來的諸多問題，如：寄生效應、閉鎖效應、軟錯效應、基材漏電流與過熱等問題。Smart-CutR製程為近來最常用之技術，利用高劑量氫離子佈植於矽晶圓內，再經晶圓鍵合製程與高溫退火處理，使氫離子聚集產生剝離以達到薄膜轉移之目的。但離子佈植機設備高昂，且高強度離子束易損傷晶圓，佈植深度難以超過一微米，故改以利用紫外光輔助電化學蝕刻的方式製作出厚層的薄膜轉移材料。 本實驗研究之目的為使用紫外光輔助電化學蝕刻的方式，依照不同蝕刻參數，蝕刻P型重掺雜矽晶圓，蝕刻出雙層多孔矽結構，再利用Argon高溫退火處理，製作出具深埋破裂層與微米厚的多孔回復晶矽薄膜，其薄膜為準晶矽結構。

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摻2 at.% 錫氧化鋅奈米管陣列之電化學製備及其結構與特性探討

本論文之研究目的在製作氧化鋅和摻錫氧化鋅之奈米柱、奈米管陣列，並探討其結構與性質之關係。以定電位電化學析鍍法在銦錫氧化物(Indium-Tin Oxide, ITO)玻璃基材上，自含雙氧水氯化鋅鍍浴與外加氯化錫之另一鍍浴中分別成長出不同形貌之奈米柱陣列。由掃描式電子顯微鏡(Field-Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)觀察顯示: 尖頂之摻2 at.% 錫氧化鋅較平頂之純氧化鋅奈米柱細長(直徑250 nm < 300nm；高度1850 nm > 900 nm)且呈密集陣列。經低掠角X光繞射儀(Grazing Incident X-ray Diffraction, GIXRD)分析兩種奈米柱陣列晶體結構皆屬於(002)面優選之六方堆積纖維鋅礦(Wurtzite)，摻錫氧化鋅之(002)面訊號則比純氧化鋅稍弱；紫外-可見光光譜儀(UV-Visible Spectrometer)量測顯示摻錫氧化鋅平均穿透率較氧化鋅奈米柱下降約2 %(但仍維持在88 %之高透光率)；摻錫後使氧化鋅能隙值降低約0.08±0.01 eV；光致螢光光譜儀(PL Spectrometer)分析得知: 摻錫氧化鋅之本質發光有紅移現象(由383 nm 偏移至388 nm)。X光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectrometer, XPS) 鑑定試片表面顯示: 摻錫氧化鋅奈米柱化學狀態為SnO2(屬於四價錫)之鍵結，Sn4+摻雜至氧化鋅中將有利於提供額外電子來改善陣列之電阻率。從四點探針(Four-point probe)量測到的片電阻值進一步證實摻雜錫之氧化鋅較純氧化鋅奈米陣列之電導性質更佳(片電阻值降低了約三個冪次)。由表面輪廓儀 (Alpha step)的分析發現: 摻錫氧化鋅奈米柱之表面平均粗糙度(Ra)較純氧化鋅奈米柱增加了43 %。 採用鹼性化學蝕刻進行選擇性蝕刻，將上述兩種奈米柱陣列製作成相對應之奈米管陣列，並經由上述儀器分析得知: FE-SEM觀察結果顯示不論氧化鋅或摻錫氧化鋅奈米管均具有直徑約150 nm之六角形孔洞。GIXRD分析結果發現:兩種氧化鋅奈米管的(002)面峰值強度均隨蝕刻時間之增長而降低。PL分析結果則顯示: 兩種奈米管陣列缺陷發光(450 ~ 600 nm)之強度皆隨蝕刻時間之增長而提升。且摻錫樣品同樣有本質發光紅移現象。XPS鑑定結果則與前述奈米柱試樣一致。四點探針(Four-point probe)量測到的兩種奈米管之片電阻值稍增加。Alpha step的分析發現:氧化鋅及摻錫氧化鋅奈米管蝕刻後Ra值分別增加了63 %及52 %。

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釔摻雜在SrCeO3之電導率及化學穩定性影響

鍶鈰氧化物有利於當作固態氧化物氫傳輸膜(SOHTM)之材料，導因於其擁有高的電子及質子電導率。固態氧化物氫傳輸膜用來萃取天然氣或石化燃料中的氫氣，有幾點條件須滿足方能維持運作：對於氫氣需有高選擇性，具備足夠機械強度以抵抗膜兩端的壓力差，在高水氣、二氧化碳及硫化物分壓下須有良好的化學穩定性。本實驗所使用摻雜釔之鍶鈰氧化物(SrCe1-xYxO3-δ, x=0, 0.05, 0.1)是以檸檬酸-EDTA方法製備，材料之微結構以X光繞射儀(XRD)、場發掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)及穿透式電子顯微鏡(TEM)來做觀察。材料之電導率使用兩點式電阻量測，化學穩定性則在CO2氣氛下處理後觀察實驗結果。由1000°C瑕燒所得之粉體經XRD鑑定顯示為不含其他相之純相。在導電率方面，鍶鈰氧化物電導率隨著釔摻雜含量增加而提升。此外在低於700°C下，質子傳導主導大部分的傳導。而在高於700°C溫度時，電子傳導為總電導率之主要貢獻。在CO2化學穩定性實驗中，穩定性隨釔摻雜含量增加而下降。

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運用希爾伯特-黃轉換及無因次單位瞬時頻率正規化技術之特徵擷取於非固定轉速之軸承故障診斷

本研究主要針對轉動機械的軸承元件於變轉速下，軸承發生內圈損壞、滾子損壞、外圈損壞等情形之故障診斷方法探討。利用一般等時間取樣訊號量測及階次追蹤等角度訊號量測兩種方式擷取軸承振動訊號，前者的分析為提取振動訊號之包絡線，並透過希爾伯特-黃轉換結合無因次單位頻率正規化進行分析；後者的分析為提取振動訊號之包絡線，直接透過希爾伯特-黃轉換進行分析，於希爾伯特時頻譜與邊際譜探討軸承不同的損壞特徵。最後，提取邊際譜上軸承特徵頻率之幅值作為分類的特徵，並以支持向量機分類進行軸承的故障診斷，結果顯示有相當高的準確率。