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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:周湘俊
研究生(外文):Hsiang-Chun Chou
論文名稱:風砂躍移試驗與模擬研究
論文名稱(外文):Experimental and Simulation Studies of Aeolian Sand Saltation
指導教授:楊錦釧楊錦釧引用關係許盈松許盈松引用關係
指導教授(外文):Jinn-Chuang YangYin-Sung Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
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:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:風砂躍移風洞試驗高速攝影
外文關鍵詞:aeolian sand saltationwind tunnel experimenthigh speed photographic technique
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風砂運動是指因大氣對流運動所產生的風力對地表土壤產生侵蝕的作用,進而帶動土壤顆粒產生懸移、躍移及地表蠕移等運動現象。風砂運動中又以躍移運動為主要形式,其強大的降落衝擊力是造成地表風蝕的主要原因,且亦是造成懸移運動及地表蠕移運動的主要因素。故本研究主要以風砂運動中的躍移運動做為研究主題,以風洞試驗結合「高速攝影技術」,在不同風速下量測躍移顆粒之運動軌跡、運動速度及旋轉速度等躍移特性,並探討其物理現象及統計之特性。本研究並建立一風砂單步躍移的物理模式,在考慮拖曳力、莎弗曼上舉力及馬格納斯上舉力等不同力的作用下,模擬躍移顆粒單步躍移的運動軌跡。並使用試驗之資料率定並驗證本模式。由驗證結果顯示本模式在給定剪力速度及相關顆粒條件下,可以良好的模擬顆粒躍移的軌跡及躍移歷程中諸項物理特性的沿程變化。並且發現在模擬顆粒的躍移運動時,上舉力為不可忽略的重要因素。
Aeolian sand motion can be distinguished into three types: saltation, suspension, and surface creep. In these three motions, saltation is the ruling component, and the large impact velocity of saltaion is the principal source force that causes wind erosion and the other two motions. This study combines wind tunnel and high-speed photographic technique to observe trajectory, velocity, and spinning rate of saltation motion, and discusses the physic and statistic characteristics. Furthermore, this study develops a mathematical model that considers Saffman and Magnus lift forces for aeolian particle single-step saltation. The calibration and verification are accomplished by the experimental data. The simulation results reveal that when the size of particle and the ejection velocity are known, this model can simulate the single-step trajectory precisely, and other simulated saltation characteristics that vary along longitudinal direction can be fitted well with the experimental data. Finally, this model revels that the lift forces are the important factor and can’t be neglected in the simulation of saltaion motion.
目錄
頁次
謝誌 Ⅰ
摘要 Ⅱ
ABSTRACT Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅷ
照目錄 ⅩⅡ
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目的與方法 3
第二章 風砂躍移試驗 5
2.1 試驗設備 5
2.2 試驗條件 12
2.3 試驗方法與步驟 26
第三章 試驗結果 29
3.1 試驗資料篩選 29
3.2 試驗結果 30
第四章 風砂躍移物理模式 36
4.1 風砂躍移軌跡方程 36
4.2 風速條件與起始條件 41
4.3 躍移模式率定與驗證 44
4.4 躍移模式敏感度分析 47
第五章 分析與討論 49
5.1 試驗結果分析 49
5.2 試驗結果討論 65
5.3 躍移模式模擬結果之分析與討論 73
第六章 結論 84
符號說明 87
參考文獻 90
表目錄
頁次
表2.1 風洞各斷面尺寸及規格表 7
表2.2 同步頻閃儀規格表 10
表2.3 數位靜態相機規格表 11
表2.4 剪力速度與粗糙長度隨距離之變化(風速13 m/s) 24
表2.5 剪力速度與粗糙長度隨距離之變化(風速14 m/s) 24
表2.6 剪力速度與粗糙長度隨距離之變化(風速15 m/s) 25
表3.1 試驗結果(一)(風速13 m/s) 32
表3.2 試驗結果(二)(風速14 m/s) 33
表3.3 試驗結果(三)(風速15 m/s) 34
表3.4 躍移特性之平均值 35
表3.5 顆粒旋轉之統計值 35
表4.1 Foucaut and Stanislas(1997)之試驗資料表 45
表4.2 Foucaut and Stanislas(1997)之試驗結果與本研究數值模擬結果比較 45
表4.3 試驗躍移軌跡之模擬與驗證 46
表5.1 最大躍長之統計特徵值 51
表5.2 最大躍高之統計特徵值 53
表5.3 起跳速度之統計特徵值 55
表5.4 降落速度之統計特徵值 55
表5.5 起跳角度之統計特徵值 59
表5.6 降落角度之統計特徵值 59
表5.7 最大躍高發生位置統計特徵值 63
表5.8 考慮不同作用力之模式計算結果和試驗結果比較 76
表5.9 程式模擬結與試驗比較 78
圖目錄
頁次
圖2.1 風洞系統配置圖 6
圖2.2 LDV系統配置圖 9
圖2.3 不同位置之速度剖面圖(風速13 m/s) 13
圖2.4 不同位置之速度剖面圖(風速14 m/s) 16
圖2.5 不同位置之速度剖面圖(風速15 m/s) 19
圖2.6 邊界層厚度沿程變化圖(風速13 m/s) 22
圖2.7 邊界層厚度沿程變化圖(風速14 m/s) 22
圖2.8 邊界層厚度沿程變化圖(風速15 m/s) 23
圖4.1 顆粒躍移不同階段受力示意圖 38
圖4.2 躍移模式計算流程圖 43
圖4.3 依文獻(9)資料模擬之躍移軌跡圖(粒徑170 μm) 45
圖4.4 依文獻(9)資料模擬之躍移軌跡圖(粒徑450 μm) 46
圖4.5 躍移軌跡之模擬與驗證 47
圖4.6 不同起跳角度躍移軌跡變化圖(風速13 m/s) 48
圖5.1 躍長頻率分佈圖(風速13 m/s) 51
圖5.2 躍長頻率分佈圖(風速14 m/s) 52
圖5.3 躍長頻率分佈圖(風速15 m/s) 52
圖5.4 躍高頻率分佈圖(風速13 m/s) 54
圖5.5 躍高頻率分佈圖(風速14 m/s) 54
圖5.6 躍高頻率分佈圖(風速15 m/s) 55
圖5.7 起跳速度頻率分佈圖(風速13 m/s) 56
圖5.8 起跳速度頻率分佈圖(風速14 m/s) 56
圖5.9 起跳速度頻率分佈圖(風速15 m/s) 57
圖5.10 降落速度頻率分佈圖(風速13 m/s) 57
圖5.11 降落速度頻率分佈圖(風速14 m/s) 58
圖5.12 降落速度頻率分佈圖(風速15 m/s) 58
圖5.13 起跳角度頻率分佈圖(風速13 m/s) 60
圖5.14 起跳角度頻率分佈圖(風速14 m/s) 60
圖5.15 起跳角度頻率分佈圖(風速15 m/s) 61
圖5.16 降落角度頻率分佈圖(風速13 m/s) 61
圖5.17 降落角度頻率分佈圖(風速14 m/s) 62
圖5.18 降落角度頻率分佈圖(風速15 m/s) 62
圖5.19 最大躍高發生位置頻率分佈圖(風速13 m/s) 63
圖5.20 最大躍高發生位置頻率分佈圖(風速14 m/s) 64
圖5.21 最大躍高發生位置頻率分佈圖(風速15 m/s) 64
圖5.22 躍移過程分段圖 66
圖5.23 不同躍移歷程顆粒水平速度變化分佈(風速13 m/s) 68
圖5.24 不同躍移歷程顆粒垂直速度變化分佈(風速13 m/s) 68
圖5.25 不同躍移歷程顆粒運動角度變化分佈(風速13 m/s) 69
圖5.26 不同躍移歷程顆粒水平速度變化分佈(風速14 m/s) 69
圖5.27 不同躍移歷程顆粒垂直速度變化分佈(風速14 m/s) 70
圖5.28 不同躍移歷程顆粒運動角度變化分佈(風速14 m/s) 70
圖5.29 不同躍移歷程顆粒水平速度變化分佈(風速15 m/s) 71
圖5.30 不同躍移歷程顆粒垂直速度變化分佈(風速15 m/s) 71
圖5.31 不同躍移歷程顆粒運動角度變化分佈(風速15 m/s) 72
圖5.32 躍移旋轉型式示意圖 73
圖5.33 各種力對躍移軌跡的影響(風速13 m/s) 74
圖5.34 各種力對躍移軌跡的影響(風速14 m/s) 74
圖5.35 各種力對躍移軌跡的影響(風速15 m/s) 75
圖5.36 不同風速下無因次上舉力之沿程變化 76
圖5.37 不同風速下無因次拖曳力之沿程變化 77
圖5.38 計算結果與試驗之顆粒水平速度變化分佈比較(風速13 m/s) 79
圖5.39 計算結果與試驗之顆粒垂直速度變化分佈比較(風速13 m/s) 79
圖5.40 計算結果與試驗之顆粒運動角度變化分佈比較(風速13 m/s) 80
圖5.41 計算結果與試驗之顆粒水平速度變化分佈比較(風速14 m/s) 80
圖5.42 計算結果與試驗之顆粒垂直速度變化分佈比較(風速14 m/s) 81
圖5.43 計算結果與試驗之顆粒運動角度變化分佈比較(風速14 m/s) 81
圖5.44 計算結果與試驗之顆粒水平速度變化分佈比較(風速15 m/s) 82
圖5.45 計算結果與試驗之顆粒垂直速度變化分佈比較(風速15 m/s) 82
圖5.46 計算結果與試驗之顆粒運動角度變化分佈比較(風速15 m/s) 83
照目錄
頁次
照2.1 高速攝影試驗佈置圖 28
照3.1 風速13 m/s下顆粒躍移軌跡 31
照3.2 風速14 m/s下顆粒躍移軌跡 31
照3.3 風速15 m/s下顆粒躍移軌跡 31
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