臺灣博碩士論文加值系統

建築排水系統的實證研究通常需要耗費相當的人力、時間、經費等資源，且實驗項目往往受限於實驗場所與裝置。為突破實驗研究的侷限，本研究之目的在運用計算流體力學方法建構單管重力式排水系統之數值模型，進行排水管中定常流的模擬分析。本研究建構三種不同型式之CFD數值模型，包括單管排水系統的三維幾何模型、計算區域的結構網格、流場之統御方程式與邊界條件。分別模擬排水負荷流速每秒四公升半管定常流排水，對模擬結果之影響。經由電腦計算模擬獲得之詳盡數據有助於排水系統的深度探討，並可將大量數據視覺化以有效地呈現管內流場的複雜現象。本研究，呈現排水管管內流體現象，在排水立管方面，主要探討排水立管斷面水流現象與立管內壓力解析，而在排水橫主管方面，首先，定義排水橫主管管內流體現象與數值模型排水橫主管管內流體現象輪廓圖做比對，進一步將與理論值最相似之數值模擬結果與實際排流排水橫主管管內流體現象做比對分析，最後，解析排水橫主管斷面水流現象。研究成果包括：CFD運用於排水系統之困難度與CFD之特徵；數值模擬方法分類，分為三種數值模型，十一種模擬型式；單管重力式排水系統之管內流體自由液面位置之確立；CFD運用於單管重力式排水系統之現階段模擬成果說明；數值模擬運用於排水系統研究之適用性評估方法。

Consciousness about the public health of drainage systems has been rapidly raised these days. The drainpipes laid inside the building usually are ignored by people. Due to the serious outbreak of SARS in 2003, the potential dangers are exposed to the public. As a result, the related drains system study seems to be important and not allowed to be ignored.
Empirical research using full-scale models on building sewerage system usually requires the expenditure of time and effort, which places restrictions on the option of experimental parameters to be investigated to a certain extent. Against the limitation of empirical research, computational fluid dynamics (CFD) has emerged as one of the powerful methods to be used to study flow related problems in sanitary application.
This paper presents a fundamental CFD analysis on multi-physical flow in gravity drainage system of the single-drainpipe type numerical model. A general-purpose CFD code, CFDRC+, is employed to predict the multi-physics flow fields in the modeled drainpipes. The theory and implementation of the computational simulation are carefully examined in order to find out the feasibility and the limitation of CFD method.
Three types of single drainpipes are modeled and different settings such as grid amount, grid shape, time step and so on are tested. The computational outputs are visualized in the form of animation and colorful tables and figures, and then compared with the empirical results of previous studies. It is showed that the utilization of CFD method is not only helpful to provide extensive flow data for better study on draining systems but also effective to display complex patterns of the drainage flow visually. The preliminary simulation shows quite satisfactory results. However, the huge amount of time needed on computation is a critical problem for effective research. The Free Surface Model severed as a basic theory in the simulation still shows room for improvement. The numerical model employed in the study could be a foundation for the follow-up extensive and systematic study on related problems, and has the potential to be a supplement to traditional empirical research to provide better design of building drainage systems in the future.

目 錄
中文摘要……………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………………………Ⅱ
誌謝…………………………………………………………………………………Ⅲ
目錄…………………………………………………………………………………Ⅳ
符號索引……………………………………………………………………………Ⅵ
圖表索引……………………………………………………………………………Ⅶ

第一章 緒論
1-1 研究動機與背景…………………………………………………………1
1-2 研究目的與範圍…………………………………………………………2
1-2-1 研究目的…………………………………………………………2
1-2-2 研究範圍…………………………………………………………2
1-3 研究方法與流程…………………………………………………………3

第二章 文獻回顧
2-1 系統演進與規範發展沿革………………………………………………7
2-1-1 排水系統發展……………………………………………………7
2-1-2 規範發展沿革………………………………………………….11
2-2 相關規範與理論探討………………………………………………….14
2-2-1 國內外規範探討……………………………………………….14
2-2-2 理論與相關研究……………………………………………….15
2-3 計算流體力學介紹…………………………………………………….25
2-3-1 計算流體力學………………………………………………….25
2-3-2 計算流體力學相關軟體……………………………………….28
2-3-3 排水研究領域中計算流體力學相關研究…………………….31

第三章 理論模式與數值求解
3-1 統御方程式…………………………………………………………….33
3-1-1 流體組件……………………………………………………….34
3-1-2 自由液面組件………………………………………………….36
3-2 數值方法……………………………………………………………….37
3-2-1 有限體積法…………………………………………………….39
3-3 數值求解……………………………………………………………….45
3-3-1 計算流體力學之優勢………………………………………….45
3-3-2 CFDRC軟體應用……………………………………………..45
3-3-3 計算網格……………………………………………………….49
3-4 小結……………………………………………………………………..52

第四章 數值模型分類方法
4-1 數值模型建製……………………………………………………………54
4-2 數值模型變數……………………………………………………………58
4-3 數值模型局部分類………………………………………………………59
4-4 小結………………………………………………………………………73

第五章 單管重力式排水系統管內流體現象解析
5-1 數值模型管內流體現象呈現……………………………………………75
5-1-1 數值模型Type1…………………………………………………75
5-1-2 數值模型Type4…………………………………………………80
5-1-3 數值模型Type5…………………………………………………84
5-1-4 數值模型Type6…………………………………………………88
5-1-5 數值模型Type7…………………………………………………92
5-1-6 數值模型Type8…………………………………………………96
5-1-7 數值模型Type9…………………………………………………100
5-1-8 數值模型Type10……………………………………………….104
5-1-9 數值模型Type11……………………………………………….108
5-2 數值模型排水立管水流現象解析…………………………………….112
5-2-1排水立管斷面水流現象解析………………………………….112
5-2-2立管內壓力解析……………………………………………….113
5-3 數值模型排水橫主管管內流體現象解析…………………………….116
5-3-1 定義排水橫主管管內流體現象……………………………….116
5-3-2 數值模型排水橫主管管內流體現象輪廓描繪圖…………….118
5-3-3 實際排流排水橫主管之管內流體現象……………………….121
5-3-4 數值模擬與實際排流排水橫主管管內流體現象解析……….124
5-3-5 排水橫主管斷面水流現象解析……………………………….127
5-4 小結…………………………………………………………………….129

第六章 結論與建議
6-1 結論…………………………………………………………………….130
6-2 建議…………………………………………………………………….133

參考文獻………………………………………………………………………….136
附錄一…………………………………………………………………………….139
附錄二…………………………………………………………………………….145

■參考文獻

A、中文文獻

A-1呂文弘，鄭政利，周衍均，2001，〈台灣地區中高層住宅建築排水通氣系統現況調查研究〉，亞洲地區建築給排水國際研討會論文集。
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A-3何昆錡，2005，〈高層建築排水通氣系統設計方法與性能評估模式之研究〉，台灣科技大學建築系碩士論文。
A-4沈明德，2004，〈建築排水立管空氣壓力預測理論解析與實證之研究〉，台灣科技大學建築系碩士論文。
A-5呂文弘，2005，〈二管式排水通氣立管空氣壓力變動推估模式之研究〉，台灣科技大學建築系碩士論文。
A-6許育榮，2004，〈三角形微流道對流熱傳之模擬分析〉，中原大學機械工程研究所碩士論文。
A-7林俊達，2003，〈無閥門微型幫浦之數值模擬〉，國立台灣大學應用力學研究所碩士論文。
A-8蕭宏達，2005，〈呼吸現象與粒子在分歧氣管之運動數值模擬〉，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文。
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B、外文文獻

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B-2W.R. Chang，Cheng-Li Cheng and Jui-Ting Wang，2006，”Simulation of multi-physics flow patterns in a single-drainpipe of gravity drainage systems-A preliminary CFD study”， CIB-W62 Seminar。
B-3W.-R. Chang, H.-T. Lin, and H.-T. Wu, Oct. 2005, “M2-B-Quadro: A Scalable Optical Switch Architecture for Contention Resolution,” Proceeding of IEEE Asia-Pacific Conference on Communications 2005 (APCC 2005),Perth, Australia, Oct. 2005。
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B-5W.-R. Chang, H.-T. Lin, and H.-T. Wu, Apr., 2004, “Fairness Control in WDM Slotted Ring Networks,”International Conference on Communication and Broadband Networking (ICBN’04), Kobe, Japan, April 2004。
B-6W. –R. Chang and H.-T. Wu, Dec. 2002. “The Design of an Optical Switch Architecture with Delay and Buffer Lines,” (in Chinese) Proceeding of 2002 National Telecommunications Symposium. NSC 90-2213-E-027-006。
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B-8Roy. B. Hunter，1941，“BMS 79 Water Distributing System for Building”。
B-9R. S. Wyly and H. N. Eaton，Capacities of Plumbing Stack in Building, BMS Repoet,132（1952）
B-10R. S. Wyly and H. N. Eaton，1961，“Capacities of Stacks in Sanitary Drainage System for Building”，N.B.S. Monograph 31。
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C、日文文獻

C-1鄭政利，1995，〈超高層住宅重力式排水系統管內壓力預測之研究〉，東京大學建築專攻工學博士論文。
C-2空氣調和•衛生工學會，1999，〈排水〉，空氣調和•衛生工學會編。
C-3空氣調和•衛生工學會，1999，〈集合住宅排水立管系統的排水能力試驗法•同解說(HASS-218) 〉，空氣調和•衛生工學會編。
C-4空氣調和•衛生工學會，2000，〈給排水衛生設備規準•同解說(HASS-206)〉，空氣調和•衛生工學會編。

D、網路文獻

D-1清華大學動力機械系流體力學實驗室，http://www.cfd.pme.nthu.edu.tw/
D-2維基百科，http://zh.wikipedia.org/
D-3日立機材株式会社，http://www.hitachi-kizai.co.jp
D-4株式会社クボタ（久保田），http://drain.kubota.co.jp
D-5フネンアクロス株式会社，http://www.funen.co.jp
D-6朝和電工建材，http://www.sdk.co.jp
D-7SE SOVENT，http://www.sovent.com/
D-8日本東陶機器株式会社，http://www.toto.co.jp
D-9水の排水館，http://homepage1.nifty.com/shincoo/m041haisui-eisei.html