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 本研究旨在發展一橋墩水深平均二維沖刷模式，使水平二維模式除&;#63930;可反映橋墩&;#63864;側的束縮沖刷外，亦可以合&;#63972;模擬垂向水&;#63946;在橋墩周圍底床造成的局部沖刷現象。本研究以謝氏(2003)的水深平均二維動床模式為主體，採用浸沒式邊界法處&;#63972;計算區域中因水&;#63946;無法穿越橋墩導致的內部邊界問題，並在模式中加入垂向&;#63946;速之估算式與相對應的局部沖刷輸砂公式。在垂向&;#63946;速推估部份，首先針對重要影響&;#63851;&;#63849;進&;#64008;無因次分析，再根據&;#63851;&;#63849;的合&;#63972;範圍設計多組模擬案&;#63925;，以三維CFX 模式進&;#64008;三維水&;#63972;分析，將模擬結果進&;#64008;迴歸分析後獲得橋墩周圍的最大垂向&;#63946;速分布之經驗公式。局部沖刷輸砂公式部分，使用多組橋墩沖刷實驗案&;#63925;進&;#64008;沖刷&;#63851;&;#63849;的檢定分析，並&;#63965;用檢定結果與對應案&;#63925;之水&;#63972;條件進&;#64008;迴歸得到沖刷&;#63851;&;#63849;的經驗式。最後以其他的橋墩沖刷實驗案&;#63925;進&;#64008;驗證分析，結果顯示模式能合&;#63972;模擬橋墩周圍局部沖刷深&;#64001;變化的&;#63884;程。
 This study develops a depth-averaged two-dimensional pier scouring model to simulate both the contraction scour and the local scour properties due to vertical flow. The framework of the model developed is based on the depth-averaged two-dimensional mobile bed model by Hsieh (2003), in which employed the immersed boundary method is to deal with the internal pier boundary. The maximum vertical flow velocity and the corresponding sediment transport formula are taken into account to simulate the local scour phenomenon. The maximum vertical velocity regression formula is established from the velocity field simulated by a commercial 3-D model, CFX, through several hypothetical cases designed. Several bridge pier scouring experiment results are used to conduct the model calibration and parameter regression analysis to develop the empirical formula of local scour. Furthermore, the model is verified by using experiment results other than those for calibration. The verification studies show that the variation of the scour depth with respect to time around the bridge piers could be well simulated.
 目錄摘要 IAbstract II誌謝 III目錄 IV表目錄 VI圖目錄 VII符號表 IX第一章 緒論 11.1 研究動機與方向11.2 文獻回顧 11.2.1 局部流場 21.2.2 局部沖刷深度 41.3 研究目的與方法 51.4 章節簡介 6第二 章理論基礎 92.1 水理部分 92.1.1 控制方程式 92.1.2 輔助關係式 102.1.3 水理邊界條件 112.2 沉滓運移部分 122.2.1 控制方程式 122.2.2 輔助關係式 132.2.3 沉滓運移邊界條件 17第三章 數值方法 203.1 水理部分 203.1.1 分割操作趨近法 203.1.2 數值差分式 213.2 沉滓運移部分 23第四章 橋墩周圍垂向流速推估 264.1 前言 264.2 ANSYS-CFX三維模式簡介 264.2.1 模式原理簡介 264.2.2 模式測試 274.3 因次分析 274.4 案例設計 284.5 模擬結果分析 284.5.1 垂向流速估算式 294.5.2 適用性分析 294.5.3 估算式之驗證 30第五章 模式檢定與驗證 405.1 模擬參數敏感度分析 405.2 模擬參數之決定與分析 405.2.1 懸浮載源項時間係數γ 405.2.2 沖刷參數α 415.3 模擬參數之驗證分析 425.3.1 Yanmaz 試驗案例 425.3.2 Dargahi 試驗案例 43第六章 結論與建議 556.1 結論 556.2 建議 56參考文獻 57附錄一 CFX模式之數值方法簡介 59
 參考文獻1.張文鎰(1998)，「橋墩沖刷模式之改良與驗證」，國立台灣大學土木工程研究所碩士論文。2.張文鎰(2002)，「圓形橋墩局部沖刷之模擬與試驗驗證」，國立台灣大學土木工程研究所博士論文。3.謝德勇(2003)，「二維水理、汙染傳輸及沉滓運移模式之研發與應用」，國立交通大學土木工程研究所博士論文。4.張益家(2005) ，「二維彎道動床模式之發展研究」，國立交通大學土木工程研究所碩士論文。5.黃振家(2009) ，「浸沒邊界法在二維淺水波流場模擬之應用探討」，國立交通大學土木工程研究所碩士論文。6.Ahmed R. (1995).”Flow and erosion around bridge piers, “A PhD Thesis, Department of Civil Engineering, Univ. of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada.7.Baker C.J. (1980).”Theoretical approach to prediction of local scour around bridge piers,”J. Hydr. Res., 18(1), 1-12.8.Bennet, J.P. and Nordin, C.F. (1977). “Simulation of sediment transport and armoring.” Hydrological Sciences Bulletin, 37, 2119-2162.9.Breusers, H.N.C. and Raudkivi A.J. (1991). Scouring, IAHR Hydraulic Structures Design Manual, A.A. Balkema edt., Rotterdam,103-10710.CFX Version 11.0 Manual, ANSYS, Inc, Canonsburg, PA11.Chabert, J. and P. Engeldinger (1956). “Etude des affouillements autour des piles des ponts.” Laboratorie National d’Hydraulique: Chatou, France12.Chang, W.Y., Lai, J.S. and Yen C.L. (2004).” Evolution of scour depth at circular bridge piers” J. Hydr. Engrg., ASCE, 130(9), 905-913.13.Clarke, F.R.W.(1962).“The action of submerged jets on movable materials.”A PhD Thesis, Imperial Colledge,London.14.Dargahi, B.(1990).”Controlling mechanism of local scouring.” J. Hydr. Engrg. ,ASCE ,116(10),905-913.15.Elder, J.W.(1959)”The dispersion of marked fluid in turbulent shear flow.”J. Fluid Mech.,5(4).16.Ettema, R.(1980)”Scour at bridge piers.” A PhD Thesis,Auckland Univ., Auckland.17.Falcon, A.M.(1979).”Analysis of flow in alluvial channel bends.”A PhD Thesis,Dept. Mech. and Hyr. Univ. of Iowa, Iowa City, Iowa.18.Graf, W.H. and B. Yulistiyanto(1998).”Experiments on flow around a cylinder; the velocity and vorticity fields.” J. Hydr. Res., 36(4), 637-653.19.Hu, C. and Y. Hui (1996a). “Bed-load transport I: Mechanical characteristics.” J. Hydr. Engrg., 122, 245 – 254.20.Kent R., Johnson and Francis C.K.T. (2003).”Measurements of water profile and velocity field at a circular pier.”J. Eng. Mech., ASCE, 129(5), 502-513.21.Kothyari, U.C., Garde, R.J. and Ranga Raju, K.G. (1992b).”Live-bed scour around bridge piers.”J. Hydr. Res., 30(5), 701-715.22.Laursen, E.M. and Toch, A. (1956).”Scour around bridge piers and abutments.” Bulletin No. 4, Iowa Road Research Board.23.Melville, B.W. (1975). “Local scour at bridge sites.” A PhD Thesis, University of Auckland, School of Engineering, Auckland, New Zealand.24.Melville, B.W., and Sutherland, A.J. (1988). “Design method for local scour at bridge piers,” J. Hydr. Engrg., ASCE,114(10),1210-1226.25.Melville, B. W. and Chiew, Y. M., “Time scale for local scour at bridge piers,” J. Hydr. Engrg., ASCE, Vol.125, No.1, pp. 59-65(1999).26.Melville, B. W. and Coleman, S. E. (2000). Bridge scour, Water Resources Publications, LLC, Highlands Ranch, Co.27.Nakagawa, H. and Suzuki, K. (1974)”Study on estimation of scour depth around bridge piers,” Disaster Prevention Research Inst. Annuals, Kyoto Unvi., 17(B), 725-751.28.Rastogi, A.K. and Rodi W. (1978).”Prediction of heat and mass transfer in open channels,”J. Hydr. Div., ASCE, 104(3), 397-420.29.Raudkivi, A.J. and Ettema, R. (1983).”Clear-water scour at cylindrical piers,”J. Hydr. Engrg. ASCE, 109(3),338-350.30.Raudkivi, A. J. (1986).”Functional trends of Scour at bridge piers,”J. Hydr. Engrg., ASCE, 112(1), 1-13.31.Rouse, H. (1940). “Criteria for similarity in the transportation of sediment.” Proc. 1st Hydr. Conf., State Univ. of Iowa, Iowa, pp. 43-49.32.Schlichting,H. and Gersten K. (2000). Boundary Layer Theory, McGraw-Hill, New York.33.Shen, H. W., Schneider, V. R., and Karaki, S. (1969). “Local scour around bridge piers,” J. Hydr. Div., ASCE, 95(6), 1919-1940.34.Struiksma, N., Olesen K. W., Flokstra, C., and de Vriend, H. J. (1985). “Bed deformation in curved alluvial channels.” J. Hydr. Res., 23(1), 57 - 79.35.Van Rijn, L.C., (1984a).”Sediment transports, part I: Bed load transport.” J. Hydr. Eng., ASCE, 110(10).36.Van Rijn, L.C., (1984b).”Sediment transports, part I: Suspended load transport.” J. Hydr. Eng., ASCE, 110(10).37.Yanmaz, A. M., and Altinbilek, H. D. (1991). “Study of time-dependent local scour around bridge piers.” J. Hydr. Eng., 117(10), 1247-1268.
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 1 圓形橋墩局部沖刷之模擬與試驗驗證 2 二維水理、污染傳輸及沉滓運移模式之研發與應用 3 二維彎道動床模式之發展研究 4 浸沒邊界法在二維淺水波流場模擬之應用探討 5 橋墩沖刷模式之改良與驗証

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