儲槽內顆粒流動與發聲特性之研究

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黃郅軒(Chih-hsuan Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

儲槽內顆粒流動與發聲特性之研究
(The study of the granular flow and the characteristic of emitted sound in the silo)

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摘要(中)

土石流之次聲監測乃運用顆粒在運動時所散發聲音之特性，因此本研
究經由實驗找出顆粒撞擊時之音頻特性，有益於了解顆粒運動時之發聲機制。本研究運用二維漏斗內填置細磨石，使細磨石由下方流出後墜落於二維與三維兩種不同邊界條件之渠槽。底床之材質分別為棉布、鬆散顆粒、堅硬顆粒、壓克力等四種，分析顆粒撞擊時之特徵頻率以及流動過程。研究發現顆粒於漏斗中之流動型態可分成主要流動區、表面流動區、蠕動區與靜止區等四個區域，而漏斗中顆粒出流量則有周期性之高低變化。顆粒撞擊於柔軟材質時所散發之特徵頻率與音壓強度皆為較低之情況；當撞擊於堅硬材質之音頻與音壓強度則為較高之情況，顯示顆粒撞擊之頻率與撞擊面之性質及速度有密不可分之關係。

摘要(英)

The acoustic monitoring system of debris flows was usually carried out by means of detecting the sound during the particle movements. This study investigated the characteristic of emitted sound while the particle collisions in the laboratory, and it may help understanding the mechanism of sound generation for particle motions. In this work, the spherical mill stones were filled in a quasi-2D silo. Then, particles flow out from the bottom outlet and fall down to the lower 2D and 3D rectangular box, respectively. Four different bed material such as cotton cloth, loose packing particles, dense packing particles and acrylic plate were set up at the box and the sound characteristics and flow behavior with each other. The flow pattern in the silo were classified as core flow zone, surface flow layer, creeping zone and stationary zone. The flow rate at the orifice shown a significant periodic variation due to the arching effect. The dominant frequency and the sound pressure level resulted from particles impact on the soft bed material is lower than that on the hard one. The result demonstrates that both the impact surface and the velocity play important roles on the dominant frequency of particle collisions.

關鍵字(中)

★ 漏斗
★ 顆粒流
★ 表面流
★ 堆積
★ 聲波

關鍵字(英)

★ Silo
★ Granular flow
★ Surface flow
★ Deposition
★ Sound wave

論文目次

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 2
1.4 論文架構 3
第二章文獻回顧 5
2.1 聲音相關之研究 5
2.2 顆粒流動特性之研究 11
2.3 聲音之基本介紹 13
2.3.1 聲音之產生 13
2.3.2 聲音的傳播速度 13
2.3.3 聲音的特性 14
第三章實驗配置與分析方法 15
3.1 實驗設備 15
3.2 實驗步驟 24
3.3 流動粒子影像分析 26
3.4 聲波信號分析 27
第四章實驗結果與討論 30
4.1 流動型態之分析 30
4.2顆粒運動聲波信號之分析 48
4.2.1 二維邊界條件不同材質底床音頻特性 48
4.2.2 三維邊界條件不同材質底床音頻特性 60
4.3流動特性與聲波信號之關係 66
第五章結論與建議 76
5.1 結論 76
5.2 建議 77
參考文獻 78

圖目錄
圖1.1 論文流程圖 4
圖2.1 實驗剪力面之形成 5
圖2.2 音壓門檻值之定義方法 6
圖2.3 轟鳴砂崩落之實驗設置(Andreotti, 2004) 7
圖2.4 轟鳴砂發聲之實驗設置(Douady et al., 2006) 7
圖2.5 聲波在砂丘中傳遞速度 (Vriend et al., 2007) 9
圖2.6 砂粒射流在不同粒徑與開口尺寸之速度(Cail et al., 2010) 11
圖2.7 漏斗內部流動型態(Zhang, 1997) 12
圖3.1 細磨石之影像 16
圖3.2 二維條件之實驗配置 17
圖3.3 實驗示意圖 17
圖3.4 三維條件不同材質之底床 18
圖3.5 空氣柱實驗配置圖 19
圖3.6 IDT高速攝影機 20
圖3.7 B&K 4190麥克風響應曲線 21
圖3.8 (a)B&K麥克風與前置放大器 (b)B&K放大器 22
圖3.9 數位資料處理系統(Spartan-L data logger, IMC) 22
圖3.10 同步化之LED顯示燈 23
圖3.11 顆粒初始定位 26
圖3.12 影像分析速度場之過程 26
圖4.1 漏斗內部顆粒流動之歷程 31
圖4.2 不同時間點20張(0.05秒)影像平均之速度強度 32
圖4.3 漏斗內部流動之型態 33
圖4.4 漏斗內部顆粒隨時間之出流量 34
圖4.5 漏斗內部流量改變時之流動表面線變化 35
圖4.6 漏斗內部流量改變時之表面線高度最高點與最低點 35
圖4.7 漏斗內部流量變化時之垂直速度(0.525-1.925秒，間隔0.100秒) 37
圖4.8 漏斗內部流量變化時之垂直速度(2.275-3.300秒，間隔0.100秒) 38
圖4.9 漏斗內部流量變化時之水平速度(0.525-1.925秒，間隔0.100秒) 39
圖4.10 漏斗內部流量變化時之水平速度(2.275-3.300秒，間隔0.100秒) 40
圖4.11漏斗內部流量變化時之流線型態(間隔0.050秒) 42
圖4.12 流量為峰值與低值時之流線示意圖 43
圖4.13 自由落體在不同時間20張(0.05秒)影像平均之速度強度 44
圖4.14 自由落體的速度在不同高度之變化 45
圖4.15 顆粒堆積歷程 46
圖4.16 顆粒於不同時間之堆積高度 47
圖4.17 顆粒堆積高度隨時間之變化 47
圖4.18 二維條件鬆散細磨石底床信號FFT分析之頻譜 48
圖4.19 二維條件鬆散顆粒底床各秒間信號FFT 49
圖4.20 二維條件鬆散顆粒底床各秒間信號FFT 49
圖4.21 二維條件鬆散細磨石底床之信號與HHT 50
圖4.22 二維條件鬆散顆粒底床各個IMF經過FFT分析之頻譜 51
圖4.23 二維條件鬆散顆粒底床原始信號與各個IMF 300點移動平均之比較 51
圖4.24 二維條件棉布底床信號FFT分析之頻譜 52
圖4.25 二維條件棉布底床各秒間信號FFT 53
圖4.26 二維條件棉布底床各秒間信號FFT 53
圖4.27 二維條件棉布底床之信號與HHT 54
圖4.28 二維條件棉布底床各個IMF經過FFT分析之頻譜 55
圖4.29 二維條件棉布底床原始信號與各個IMF300點移動平均之比較 55
圖4.30 二維條件堅硬顆粒底床信號FFT分析之頻譜 56
圖4.31 二維條件堅硬顆粒底床各秒間信號FFT 57
圖4.32 二維條件堅硬顆粒底床各秒間信號FFT 57
圖4.33 二維條件堅硬顆粒底床之信號與HHT 58
圖4.34二維條件堅硬顆粒底床各個IMF經過FFT分析之頻譜 59
圖4.35 二維條件堅硬顆粒底床原始信號與各個IMF300點移動平均之比較 59
圖4.36 三維條件棉布底床信號FFT分析之頻譜 60
圖4.37 三維條件棉布底床信號與HHT 61
圖4.38 三維條件鬆散顆粒底床信號FFT分析之頻譜 61
圖4.39 三維條件鬆散顆粒底床之信號與HHT 62
圖4.40 三維條件堅硬顆粒底床信號FFT分析之頻譜 63
圖4.41 三維條件堅硬顆粒底床之信號與HHT 63
圖4.42 三維條件壓克力底床信號FFT分析之頻譜 64
圖4.43 三維條件壓克力底床產生之信號與HHT 64
圖4.44 三維條件壓克力底床各個IMF經過FFT分析之頻譜 65
圖4.45 三維條件壓克力底床原始信號與各個IMF300點移動平均之比較 65
圖4.46 二維條件鬆散顆粒底床聲波信號每0.500秒間之振幅統計圖 66
圖4.47 二維條件鬆散顆粒底床聲波信號每0.500秒間音壓門檻值 66
圖4.48 鬆散顆粒底床極大值300點移動平均波型信號 67
圖4.49 顆粒撞擊速度、落距與信號音壓之比較 68
圖4.50 音壓強度、撞擊動量與能量間之關係 68
圖4.51鬆散顆粒與棉布底床信號極大值300點移動平均於0.000-1.500秒間之比較 69
圖4.52 棉布底床堆積歷程 70
圖4.53 空氣柱之聲波信號與HHT 73
圖4.54 水位上升之歷程 73

表目錄
表2.1 研究沙粒發聲之相關實驗 10
表3.1 白色細磨石基本特性 16
表4.1 二維條件不同材質底床之音頻比對 72
表4.2 三維條件不同材質底床之音頻比對 75

參考文獻

參考文獻
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24.Vriend, N. M., M. L. Hunt, R. W. Clayton, C. E. Brennen, K. S. Brantley and A. Ruiz-Angulo (2007). Reply to comment by B. Andreotti et al. on ‘‘Solving the mystery of booming sand dunes’’, Geophysical Review Letter, 35, L08307.
25.Zhang, K. (1997). Flow of particulate solids in silos. Edinburgh, University of Edinburgh. PhD. thesis, U.K.

指導教授

周憲德(Hsien-ter Chou)

審核日期

2011-7-26

推文