2015年1月30日 星期五

瞬時起動之圓柱

下圖為一半徑為 $R$ 之圓柱,瞬間以速度 $U$ 起動,在無因次時間 $tU/R = 4$ 時所產生的渦流場,其雷諾數 $Re = 2UR/\nu = 9500$,$\nu$ 為運動黏度。圖中實線為正值的渦度,虛線則為負值渦度。

此為動畫檔:

2015年1月24日 星期六

Bragg Resonance (布拉格共振)

當線性週期水波通過底床之週期沙漣時,若水波的波長與沙漣波長呈某些特定比例時,水波將出現特殊的共振現象,稱為布拉格共振 (Bragg resonance)。

上圖是水波波長:沙漣波長 = 2:1 的例子。在這樣條件下,會有最大的共振效果,因此通過沙漣後的波高明顯降低。而反射波則讓沙漣前的波高增大,並與入射波疊加產生部分駐波現象,就像吉他弦一般,在原處上下振盪。

由動畫可清楚看水波的傳遞與共振現象。


週期水波通過底床沙漣產生的非對稱渦流

海中的砂質底床,常因為水面波浪的作用,而產生週期狀的起伏,稱為沙漣 (ripple)。

關於沙漣附近流場的研究,能有助於掌握底床的輸砂現象。過去在研究此類問題時,多將驅動的水流視為一週期振盪的流動 (oscillatory flow),亦即將流速 $\boldsymbol{u}$ 設為
\[
\boldsymbol{u} = U_0\sin(\omega t)\,\hat{\boldsymbol{i}}.
\]
換言之,驅動水流僅有時間的週期振動,而無空間上的變化。

然而,實際的波浪水流並非如此。若水面波動為一線性正弦波,各處的波動振幅為固定,則流速除在時間上呈週期變化外,在空間上,水平方向的分佈為正弦函數,垂直方向則為雙曲線函數。倘若水面振幅較大,波浪將為非線性,則可能出現更複雜的波動:


這樣的非線性水波通過沙漣,所產生的渦流將呈現複雜的非對稱形態: