指導教授：劉格非臺灣大學：土木工程學研究所曹瑋珉Cao, Wei-MinWei-MinCao2014-11-252018-07-092014-11-252018-07-092014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/260852土石流已經成為目前山坡地災害的重要成因之一，如果底床遭受到足夠大的剪應力，則底床下方的土石會被一起帶動，因此會夾帶更大量的泥沙對下游區域造成危害。而依照不同的含水量和顆粒粒徑大小，土石流擁有許多分類，本文選擇其中的泥流型土石流來進行探討，根據我國水土保持局，其定義為0.1mm以下細微粒子之含量在50%以上者稱之；流體的流變模式為採用賓漢流體(Bingham fluid)本構關係式來描述其流動特性。 在本研究中，假想底床為一階的階梯狀傾斜渠道，在階梯的長方形凹洞處堆積了一層飽和的泥流，定義為流體2，其堆積高度和階梯高度相同，可將其視為一層可變動的堆積區域。接著由上游方向流入一層泥流，定義為流體1，當流體1和流體2相接觸後，如果流體1底部的剪應力夠大，則流體2會被帶動。故整個問題區域的泥流依照賓漢流體(Bingham fluid)模式的降伏應力特性共可被分為三層，由上至下(由自由液面至底床方向)分別為流體1弱剪層、流體1強剪層、流體2強剪層。其中假設流體 和流體2各自擁有不同的流體特性和流變特性，由於密度不同所產生的密度分層，使得兩流體並不會產生混合。 經由二維、非穩態、非均勻、不可壓縮的質量守恆和動量方程式，並配合長波理論來進行推導、尺度分析、正規化和數值計算後，可分析兩層不同流體特性的泥流交互作用和流體2被帶動後的流況，主要目的為探討自由液面和兩流體的交界面隨著時間和空間的改變，即各參數對其產生的影響。Debris flow disaster has become one of the major reasons for slope land disaster. If the debris bed has enough shear stress, it will carry more sediments and cause damages to downstream area. According to different moisture and grain size, debris flow has many categories. We chose one of the categories which called mud fluids to do research, and used Bingham fluid model to describe the flow characteristics. In this study, we let the bed of sloping channel has one step geometry shape. One layer of saturated mud fluid which defined as fluid 2 was fully deposited in the rectangular cavity of step, the height of deposit and cavity is the same so could be regarded as an arbitrary deposit region. Next we let another layer of mud fluid came from upstream channel which defined as fluid 1. When it contact with fluid 2, if the shear stress below fluid 1 is strong enough, fluid 2 will be carried. So according to the characteristics of yield stress of Bingham fluid model, the whole research region could be separated to three layers. From up to down direction ( free surface to channel bed direction) : plug layer of fluid 1、shear layer of fluid 1、shear layer of fluid 2. In addition, we assume fluid and fluid both have different characteristics and rheology. Because the different density can cause density stratification, we also suppose the fluid and fluid will not be blended. We used the two dimensional, unsteady , nonuniform, imcompressible continuity and momentum equations with long wave theory to do derivation、dimensional analysis、normalization and numerical calculation. Afterward, analyzed the interaction between fluid and fluid , and the flow situation after fluid 2 be carried. The major purpose is to find out the change of free surface and (fluid 1/ fluid 2)interface with time and space, and the influence from other parameters.第一章 序論 1 1.1 前言 1 1.2 前人研究 1 1.3 研究目的及方法 2 1.4 論文架構 2 第二章 基本理論 4 2.1 賓漢流體本構關係式 4 2.2 研究問題定義 5 2.3 控制方程式 8 2.4 邊界和初始條件 8 2.4.1 自由液面[ ] 8 2.4.2流體1弱剪層和流體1強剪層交界[ ] 9 2.4.3流體1強剪層和流體2強剪層交界[ ] 10 2.4.4 流體2強剪層和渠底交界[ ] 10 2.4.5 方向邊界條件[ , ] 10 2.4.6 初始條件[ ] 11 2.5 尺度分析 12 2.5.1 參數尺度定義 12 2.5.2 賓漢流體本構關係式 13 2.5.3 控制方程式 14 2.5.4 邊界和初始條件 17 第三章 啟動前流況 20 3.1 穩態均勻流解 20 3.1.1 弱剪層部分 21 3.1.2 強剪層部分 23 3.2 問題求解 24 3.2.1 弱剪層部分 25 3.2.2 啟動條件 26 3.2.3 強剪層部分 26 3.3 正規化 27 3.3.1 賓漢流體本構關係式 28 3.3.2 流體1控制方程式 29 3.3.3 邊界條件 30 3.4 恆定波型式下問題求解 31 3.4.1 流體1控制方程式 32 3.4.2 邊界條件 33 3.4.3 弱剪層部分求解 33 3.4.4 啟動條件 34 3.4.5 強剪層部分求解 35 3.4.6 自由液面求解 36 第四章 啟動後流況 39 4.1 穩態均勻流解 40 4.1.1 流體1弱剪層部分 42 4.1.2 流體1強剪層部分 43 4.1.3 流體2強剪層部分 44 4.1.4 流體1和流體2水平流速求解 45 4.1.5 流體2剪應力分佈求解 47 4.2 問題求解 48 4.2.1 流體1弱剪層部分 49 4.2.2 流體1強剪層部分 51 4.2.3 流體2強剪層部分 52 4.2.4 流體1和流體2水平流速求解 53 4.2.5 流體1和流體2垂直流速求解 55 4.2.6 流體2剪應力分佈求解 56 4.3 正規化 57 4.3.1 賓漢流體本構關係式 58 4.3.2 流體1控制方程式 60 4.3.3 流體2控制方程式 61 4.3.4 邊界和初始條件 62 4.4 正規化型式下問題求解 65 4.4.1 流體1弱剪層部分 66 4.4.2 流體1強剪層部分 68 4.4.3 流體2強剪層部分 69 4.4.4 流體1和流體2水平流速求解 70 4.4.5 流體1和流體2垂直流速求解 72 4.4.6 流體2剪應力分佈求解 74 4.4.7 變動邊界 74 第五章 變動邊界 76 5.1 變動邊界離散化 77 5.1.1 自由液面運動邊界條件 77 5.1.2 流體1和流體2交界面運動邊界條件 78 5.2 邊界和初始條件 79 5.2.1 自由液面邊界條件[ ] 79 5.2.2 流體1和流體2交界面邊界條件[ ] 80 5.2.3 初始條件 80 5.3 變動邊界變化圖 80 5.4 流速和剪應力分佈圖 87 5.4.1 水平流速分佈圖 87 5.4.2 垂直流速分佈圖 88 5.4.3 剪應力分佈圖 90 5.5 無因次參數討論 91 5.5.1 流體1和流體2密度比值 92 5.5.2 流體1和流體2動力黏度比值 93 5.5.3 流體1和流體2降伏應力比值 94 5.5.4 流體1賓漢數 和流體2賓漢數 95 第六章 結論與建議 96 6.1結論 96 6.2建議 97 參考文獻 982116961 bytesapplication/pdf論文公開時間：2016/08/25論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋學校)賓漢流體恆定波底床變動thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/260852/1/ntu-103-R00521317-1.pdf