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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾明性
研究生(外文):Tseng,Ming-Hseng
論文名稱:橋墩周圍流場與底床沖刷之模擬研究
論文名稱(外文):Numerical Simulation of Flow and Scour around Bridge Pier
指導教授:顏清連;宋杰祥
指導教授(外文):Yen,Chin-Lien;Song,Chieh-Shyang
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1994
畢業學年度:82
語文別:中文
論文頁數:135
中文關鍵詞:馬蹄形渦流尾跡渦流下向流墩前壅水橋墩沖刷
外文關鍵詞:horseshoe vortexwake vortexdownflowbow wavebridge scour
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河床沖淤是沖積河川中常見的重要現象,人造的河川結構物如橋墩、丁埧
等常使河床發生局部沖刷。當水流通過如橋墩之鈍形障礙物,因邊界層的
影響,在墩前的底床附近,會發生三維的分離現象及馬蹄形渦流;此種漩
渦的強度及規模是決定橋墩沖刷的主要因素;此外,在橋墩前方產生下向
流,墩前水面則有水面壅高,另外墩後有尾跡渦流。因此,橋墩周圍流況
是極為複雜的三維紊流流場,以致使其附近之沖刷亦難以準確預測。到目
前為止,尚無適用之數學模式能直接模擬此類流場與沖刷情形。本研究以
微壓流理論為基礎,配合大渦模擬紊流模式,並採用顯式有限體積法,建
立流場模式。模式對墩前壅水與下向流、橋墩周圍之馬蹄形渦流與水面變
化,以及墩後尾跡渦流等現象均可作適當模擬。同時,本研究以二維沈滓
連續方程式及沈滓輸送公式為基礎,並考慮紊流脈動及局部床形對沈滓体
積輸送率之影響,建立床形模式。模式對橋墩周圍沖淤行為之模擬獲致合
理的結果。
Scouring is an important phenomenon in river mechanics. It
generally takes place in alluvial channels, and around man-
made structures such as bridge piers and spur dikes; the latter
nor mally being classified as local scour. The horseshoe vortex
that occurs around a typical blunt body in boundary layer flow
is responsible for the severe scour around a bridge pier.
Therefore, the size and strength of the vortex are major
factors affecting the scour depth and its extent. Besides,
there exists a downflow in the front side of the pier, there
are also the bow wave under the upstream free surface near the
pier and the wake vortex shedding in the downstream region
behind the pier. As a consequence, the flow field is a three-
dimensional turbulent one which is so complex that no exact
mathematical model exists at this time. The flow model employes
a finite volume method based on explicit MacCormack''s predictor-
corrector scheme to solve weakly compressible flow equations,
together with Smogorinsky''s subgrid-scale turbulent model. The
simulation results reveal that the flow pattern of the
horseshoe vortex around the pier, downflow in front of the
pier, wake vortex behind the pier, bow wave and the free
surface variation near the pier are all well depicted by this
model. As for the scour model, in which the sediment continuity
equation is solved by the same numerical scheme as in the flow
model , together with van Rijn''s bed-load equation and
consideration of the effect of velocity fluctuation and local
bed slope variation in sediment transport, reasonably good
simulation results have been achieved for the bed topography
around the pier.
封面
謝誌
目錄
中文摘要
英文摘要
圖錄
第一章 導論
1-1 前言
1-2 研究目的
1-3 文獻回顧
第二章 理論背景
2-1 流場
2-2 床形
2-3 因次分析
第三章 數值模式
3-1 流場模式
3-2 床形模式
3-3 格網產生模式
3-4 數值試驗規劃
第四章 模式檢定與驗證
4-1 模式檢定
4-1.1 流場
4-1.2 床形
4-2 模式驗證
4-2.1 流場
4-2.2 床形
第五章 模擬結果之分析與討論
5-1 橋墩周圍流場與床形變化特性
5-1.1 橋墩周圍流場特性
5-1.2 沖刷發展過程流場變化特性
5-1.3 沖刷發展過程床形變化特性
5-2 自由水面處理
5-2.1 橋墩周圍自由水面特性
5-2.2 自由水面處理方式之比較
5-3 數值試驗
5-3.1 橋墩形狀
5-3.2 水深與墩寬比
第六章 結論與建議
6-1 結論
6-2 建議
參考文獻
附圖
符號說明
附錄
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