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研究生:徐郁超
研究生(外文):Yu-chao Hsu
論文名稱:導流墩對漏斗式排砂器內流場穩定效果之研究
論文名稱(外文):Effect of a diversion pier on the stability of flow in a vortex-chamber-type sediment extractor
指導教授:羅偉誠羅偉誠引用關係詹錢登詹錢登引用關係
指導教授(外文):Wei-cheng LoChyan-Deng Jan
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:水利及海洋工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:59
中文關鍵詞:導流墩排砂漏斗耗水率FLOW-3D
外文關鍵詞:Diversion pierVortex-chamber-typeWater loss rateFLOW-3D
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本研究以室內模型試驗及FLOW-3D數值模擬研究漏斗式排砂器內設置導流墩對提升渦流穩定性及降低耗水率之效果。模型試驗在直徑100公分的漏斗式排砂器內進行,此排砂器設有直徑3公分的排砂底孔及寬度25公分的半環狀導流懸板,此半環狀懸板範圍(θ)為0°至180°,其離底床高度為10公分。導流墩的高度和懸板高度相同,因此水流不會直接穿越導流墩。試驗佈置包括5種導流墩長度(L=5cm、10cm、12.5cm、15cm、20cm)、4種導流墩位置(θ=150°、162°、174°、180°)及5種導流墩角度(ψ=0°、±22.5°、±45°)。試驗流量(Qi)範圍介於1×10-3 cms至6×10-3 cms。
清水試驗結果顯示,當導流墩配置在(L,θ,ψ)=(12.5cm,180°,0°)的情況下,對於降低耗水率及提升渦流穩定性的效果為較佳。在前述試驗條件下,由底孔流出之水量(耗水量)約降低10%左右。在導流墩配置方式為(12.5cm,174°,0°)時,耗水量降低約5%~10%之間。本研究也進行3組的渾水試驗,結果顯示導流墩的設置對排砂量的影響較不顯著,但對於排砂濃度效率方面則提升約4%,此主要是因耗水率之降低進而提升排砂濃度。
此外,本研究也應用FLOW-3D軟體以比較漏斗式排砂器內,在設置導流墩前後水理特性之變化情況,其結果顯示當導流墩的配置條件為(L,θ,ψ)=(12.5cm,180°,0°)的型式下,將可有效減緩漏斗式排砂器於導流懸板末端之擾流現象,進而可以減少細顆粒泥砂由溢流堰溢流出之機會。
This study carried out laboratory experiments and FLOW-3D numerical simulation to investigate the effect of the installation of a diversion pier in a vortex chamber type extractor on promoting the stability of vortex and reducing water loss. The laboratory experiments were carried out in a vortex chamber type extractor. The chamber has a diameter of 100cm, a bottom orifice hole of 3cm, and a suspended plate of 25cm in width and 10cm in height. The suspended plate covers a half circle of the chamber ranging from θ= 0° to 180°. The diversion pier has the same height of the suspended plate, therefore no water will flow through the diversion pier. The experimental arrangements include five kinds of pier length (L=5cm, 10cm, 12.5cm, 15cm, 20cm), four kinds of pier position (θ=150°, 162°, 174°, 180°), and four kinds of pier direction (ψ=0°, ±22.5°, ±45°), and the inflow discharges used in experiments ranged from 1×10-3cms to 6×10-3cms.
Experimental result shows that the arrangement of the diversion pier in the condition (L,θ,ψ)=(12.5cm,180°,0°) has better stability of vortex and water loss reduction. The reduction of water loss rate was up to 10%. The arrangement of diversion pier at the condition (L,θ,ψ)=(12.5cm,174°,0°) reduces water loss about 5% to 10%. Three sets of experiment were conducted for investigating the impact of the installed pier on sediment removal efficiency, and the results showed that the existence the diversion pier did not significantly change the sediment removal efficiency but do change the removed sediment concentration about 4% due to the reduction of water loss through bottom hole.
The commercial numerical model FLOW-3D is applied to simulate the flow characteristic of the vortex chamber type extractor with and without a diversion pier at the condition (12.5cm, 180°,0°). The turbulence intensity at the end of the suspended plate is effectively reduced by the diversion pier.
中文摘要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號表 XI
第壹章 前言 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 2
1-3 本文架構 3
第貳章 文獻回顧 4
2-1 漏斗式排砂器之排砂原理 4
2-1-1水流結構分佈特性 5
2-1-2泥砂運移及沉降特性 5
2-2 漏斗式排砂器不同型態之排砂設計 6
2-3 文獻收集與整理比較 8
第參章 水工模型試驗 10
3-1 試驗模型配置 10
3-1-1 試驗模型整體設計 10
3-1-2 排砂漏斗主體配置 14
3-2 試驗模型比尺與相似率分析 16
3-3 試驗條件規劃 17
3-3-1 試驗流量範圍 17
3-3-2 試驗泥砂粒徑範圍 19
3-3-3 試驗含砂濃度範圍 19
3-4 試驗方法及分析項目 20
3-4-1 試驗方法說明 20
3-4-2 試驗流程規劃 22
3-4-3 試驗分析項目 23
第肆章 試驗結果分析 25
4-1 排砂漏斗耗水率分析 25
4-1-1 導流墩長度(L)對於耗水率(P)之影響 25
4-1-2 導流墩位置(θ)對於耗水率(P)之影響 26
4-1-3 導流墩角度(ψ)對於耗水率(P)之影響 27
4-2 排砂漏斗渦流穩定性觀測分析 29
4-2-1 渦流空氣柱中心位置之變化 29
4-2-2 渦流空氣柱直徑大小之變化 31
4-2-3 渦流水面線深度起伏之變化 32
4-3 排砂量及排砂濃度效率分析 36
4-3-1 排砂漏斗排砂量效率分析 36
4-3-2 排砂漏斗排砂濃度效率分析 37
第伍章 三維水流數值模擬分析 39
5-1 FLOW-3D軟體簡介 39
5-2 FLOW-3D模式設定 41
5-2-1 排砂漏斗模型建立 41
5-2-2 FLOW-3D參數設定 42
5-3 模擬結果展示與分析 45
5-3-1 排砂漏斗速度場之分布 45
5-3-2 排砂漏斗紊流分布之現象 49
第陸章 結論與建議 51
6-1 研究結論 51
6-1-1 排砂漏斗清水試驗結果 51
6-1-2 排砂漏斗渾水試驗結果 52
6-1-3 三維水流數值模擬結果 52
6-2 研究建議 53
參考文獻 55
附錄A 三維水流數值模擬結果圖 A1
自 述
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