李鴻源臺灣大學：土木工程學研究所林子傑Lin, Tz-JieTz-JieLin2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50122水庫淤積與許多因素有關，其中主要的原因是，水庫蓄水後庫區和回水段的水深及斷面積都增大，水面坡度減小，導致水庫內的流速減緩，輸砂能力降低，其挾帶的泥砂大部分將在水庫庫底沉積。當河道水流進入水庫時，粗砂首先沉積下來，逐漸形成三角洲；同時異重流挾帶著細砂向壩前運動，並沿途不斷擴散，細砂也將沉積在整個水庫範圍內，其中大部分沉積在壩前，不過由於異重流正湧波的影響，在水庫以上的河道內還是會發生泥砂淤積。 本研究主要在探討若不考慮壩體附近有排砂行為的情況下，水庫異重流撞擊壩體後形成之正湧波機制、現象與其物理意義。因此，本研究藉由水槽試驗量測不同單位寬度入流流量、不同入流濃度與不同壩體坡度下，異重流的頭速、平均爬升速度、最大爬升高度、壅高高度、正湧波速度及撞擊前後的速度剖面變化等現象，並利用DV攝影後加以分析。 另外，本研究同時採用CFX4數值模式模擬異重流正湧波。因異重流正湧波屬於二相流問題，需考慮兩相之間的動量交換，所以採用ASM模式（Algebraic-Slip Model）與SIMPLEC數值方法來進行模擬。本研究首先以數組水槽試驗進行CFX4參數檢定工作之後，再進行異重流正湧波現象之模擬。 試驗分析結果顯示，在相同入流條件下，異重流正湧波波速與壩體坡度成正比，與運動距離成反比；異重流正湧波之波速主要受Richardson number、異重流正湧波所行之相對距離及壩體坡度之影響。本研究異重流正湧波波速之經驗式，可供不同壩體坡度的水庫概算出異重流正湧波回溯庫區之距離及速度，有助於估算形成渾水水庫所需的時間。誌 謝 I 摘 要 II 目 錄 IV 表 目 錄 VIII 圖 目 錄 IX 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 3 1-3 研究內容 4 第二章 文獻回顧 6 2-1 渾水異重流與鹽水異重流之差異 6 2-2 異重流頭部 7 2-3 異重流正湧波 7 2-4 捲水現象 9 2-5 異重流厚度、平均速度及平均濃度 10 2-6 異重流無因次化速度與濃度剖面 11 第三章 異重流正湧波渠道試驗 13 3-1 試驗設備 13 3-2 試驗材料 14 3-3 量測設備 14 3-3-1 流速量測 14 3-3-2 濃度量測 15 3-4 試驗步驟 16 3-5 渠道測試 16 3-6 試驗理論 17 3-6-1 試驗座標 17 3-6-2 試驗範圍 17 3-6-3 因次分析 18 3-6-4 速度剖面量測方法 19 第四章 數值模式 22 4-1 數值模式的基本功能 22 4-1-1 前處理 22 4-1-2 中處理 23 4-1-3 後處理 24 4-2 異重流模式說明 24 4-2-1 多相流數值模擬 24 4-2-2 ASM模式 27 4-3 數值方法 29 4-3-1 SIMPLE數值方法 29 4-3-2 SIMPLEC數值方法 32 4-3-3 PISO數值方法 32 4-3-4 本研究採用的數值方法 34 4-4 水理模式檢定成果 34 第五章 試驗之結果討論 37 5-1 異重流頭速觀測 37 5-1-1 異重流頭速與本體速度的關係 38 5-1-2 入流濃度對異重流頭速之影響 39 5-2 異重流壩前爬升特性 40 5-2-1 異重流壩前速度剖面變化 40 5-2-2 異重流爬升速度 43 5-2-3 異重流最大爬升高度 44 5-2-4 異重流壅高高度 45 5-3 異重流正湧波觀測 45 5-3-1 異重流正湧波波速 46 5-3-2 異重流正湧波波速之經驗式 47 5-4 試驗與數模之比較 49 第六章 結論與建議 51 6-1 結論 51 6-1-1 尚未撞擊壩體的異重流 51 6-1-2 異重流壩前爬升段 52 6-1-3 異重流正湧波 53 6-1-4 CFX4數值模擬 55 6-2 建議 56 6-2-1 試驗上的建議 56 6-2-2 數模上的建議 57 參 考 文 獻 58 附 表 64 附 圖 69 符 號 對 照 表 123 簡 歷 127 表 目 錄 表3.1 鹽水異重流試驗組之入流條件 64 表3.2 異重流特徵值 65 表3.3 鹽水異重流之電阻測試結果 65 表4.1 水理模式模擬案例之試驗條件 66 表5.1 不同試驗條件的異重流頭速 66 表5.2 不同試驗條件的異重流斷面資料（X＝8m） 67 表5.3 不同試驗條件的異重流平均爬升速度 67 表5.4 不同試驗條件的異重流最大爬升高度 68 表5.5 CFX4數值模擬之結果 68 圖 目 錄 圖1.1 異重流示意圖 69 圖1.2 淤積三角洲、渾水潛入、異重流本體及頭部示意圖 69 圖1.3 異重流正湧波形成之示意圖 70 圖2.1 異重流頭部 70 圖2.2 異重流正湧波速度剖面示意圖 71 圖2.3 異重流介面失去穩定時的兩種摻混現象 71 圖3.1 台灣壩高超過100m的水庫 72 圖3.2 石門水庫土石壩斷面圖 73 圖3.3 曾文水庫土石壩斷面圖 73 圖3.4 試驗水槽 74 圖3.5 試驗水槽示意圖 74 圖3.6 尾水版（α＝45°） 75 圖3.7 試驗之整流器 75 圖3.8 試驗之量測儀器 76 圖3.9 電磁式流速計之磁場範圍示意圖 77 圖3.10 本試驗流程圖 77 圖3.11 渠道測試之相關幾何及邊界條件 78 圖3.12 異重流頭速 78 圖3.13 X＝6.7m之速度剖面 79 圖3.14 X＝8.7m之速度剖面 79 圖3.15 X＝6.7m之濃度剖面 80 圖3.16 X＝8.7m之濃度剖面 80 圖3.17 本試驗之座標示意圖 81 圖3.18 異重流正湧波之控制體示意圖 81 圖3.19 異重流通過斷面之電阻值變化示意圖 82 圖3.20 不同高程（Z）的速度沿時變化圖（1） 83 圖3.21 不同高程（Z）的速度沿時變化圖（2） 84 圖4.1 CFX4數值模式處理介面 85 圖4.2 CFX4檢定之試驗裝置 86 圖4.3 CFX4模擬之相關幾何及邊界條件 86 圖4.4 CFX4模擬結果（定壓力，80sec流速分佈） 87 圖4.5 CFX4模擬結果（定壓力，100sec流速分佈） 87 圖4.6 模擬與試驗之濃度與速度比較（定壓力） 88 圖4.7 CFX4模擬結果（定水位，100sec流速分佈） 89 圖4.8 CFX4模擬結果（定水位，200sec流速分佈） 89 圖4.9 模擬與試驗之濃度與速度比較（定水位） 90 圖5.1 異重流頭速與運動距離之關係圖（α＝45°） 91 圖5.2 異重流頭速與本體流速之關係圖（X＝8.0m） 91 圖5.3 Uh/U與Fr,d之關係圖. 92 圖5.4 入流濃度（C）對異重流頭速（Uh）之影響示意圖 93 圖5.5 C跟h、U與C之關係 94 圖5.6 q跟h、U與C之關係 95 圖5.7 α＝90°的試驗情況與速度剖面 96 圖5.7 α＝90°的試驗情況與速度剖面（續1） 97 圖5.7 α＝90°的試驗情況與速度剖面（續2） 98 圖5.7 α＝90°的試驗情況與速度剖面（續3） 99 圖5.7 α＝90°的試驗情況與速度剖面（續4） 100 圖5.8 具有自由面反坡的不均勻異重流 101 圖5.9 異重流與清水的方向關係 101 圖5.10 作用力的關係圖 102 圖5.11 α＝90°，t＝30sec的速度剖面套疊實際情形 102 圖5.12 α＝45°的試驗情況與速度剖面 103 圖5.12 α＝45°的試驗情況與速度剖面（續1） 104 圖5.12 α＝45°的試驗情況與速度剖面（續2） 105 圖5.12 α＝45°的試驗情況與速度剖面（續3） 106 圖5.12 α＝45°的試驗情況與速度剖面（續4） 107 圖5.13 α＝21.8°的試驗情況與速度剖面 108 圖5.13 α＝21.8°的試驗情況與速度剖面（續1） 109 圖5.13 α＝21.8°的試驗情況與速度剖面（續2） 110 圖5.13 α＝21.8°的試驗情況與速度剖面（續3） 111 圖5.13 α＝21.8°的試驗情況與速度剖面（續4） 112 圖5.14 與Amal et al.（1995）的速度剖面比較. 113 圖5.15 異重流壅高高度隨時間的變化圖 114 圖5.16 異重流正湧波波速與運動距離之關係圖 114 圖5.17 異重流正湧波波速與運動距離之關係圖（α＝90°） 115 圖5.18 異重流正湧波波速與運動距離之關係圖（α＝45°） 115 圖5.19 異重流正湧波波速與運動距離之關係圖（α＝21.8°） 116 圖5.20 異重流撞擊壩體前9sec 117 圖5.21 異重流初撞擊壩體 118 圖5.22 異重流撞擊壩體後40sec 119 圖5.23 試驗與數模在t＝8sec時的速度剖面（α＝45°） 120 圖5.24 試驗與數模在t＝12sec時的速度剖面（α＝45°） 120 圖5.25 試驗與數模在t＝20sec時的速度剖面（α＝45°） 121 圖5.26 試驗與數模在t＝30sec時的速度剖面（α＝45°） 121 圖5.27 CFX4模擬結果（α＝45°的異重流正湧波） 1224119977 bytesapplication/pdfen-US異重流正湧波理查遜數壩體坡度CFX4positive surge of density currentRichardson numberslope of the damthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50122/1/ntu-95-R92521305-1.pdf