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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 生物資源暨農學院
  3. 生物環境系統工程學系
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DC 欄位值語言
dc.contributor.advisor廖國偉(Kuo-Wei Liao)
dc.contributor.authorChen-Chih Wangen
dc.contributor.author王楨智zh_TW
dc.date.accessioned2023-03-20T00:14:10Z-
dc.date.copyright2022-08-05
dc.date.issued2022
dc.date.submitted2022-07-28
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dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/86732-
dc.description.abstract防砂壩其下游以鋼筋混凝土施作之消能設施,經常遭遇沖刷問題,本研究將探討氣泡工法與水泡工法的消能效果,上述工法分別在水流中設置管線打入空氣或水泡,來削減水流動能,達到減緩水流沖擊力,解決下游沖刷問題。本研究將寒溪(番社坑溪)之寒溪壩作為模擬對象,利用臺灣大學水工試驗所之多功能渠槽進行縮尺試驗,同時以FLOW-3D進行數值模擬,評估氣泡工法與水泡工法對於減低沖刷坑深度與範圍的成效,冀望氣泡工法可減輕對生態景觀之衝擊,在確保安全無虞的條件下,同時符合生態平衡的治理之道。 透過氣泡工法之設計,壩基沖刷深度與最大沖刷深度均有下降,顯示氣泡工法確實具有消能之作用,達到減緩沖刷的目的。依據實驗結果得知空氣與水流量比為0.35時,具有最佳得減緩效果。在壩基沖刷部分,減緩程度可達56.31%,在最大沖刷深度部分,整體減緩程度可達35.48%。考量上游為含砂水流時,可透過旋轉角度達到防止土砂影響氣泡工法,故30度時視為最佳之角度,在達到減緩之作用之時,亦能達到維護設備的目的。 此外考量防砂壩設置處未必有足夠之架設打氣設施之條件,故透過調整將原先打氣轉換成打水之形式,探討在改變流體性質後,其對減緩沖刷之效益。實驗依據氣泡工法之實驗結果如最佳空氣與水流量比、最佳氣泡孔入射角度等,以與氣泡工法具有相同動能之情況下設計。水泡工法結果為壩基平均減緩效益為62.01%,而最大沖刷深度平均減緩效益為44.17%,在相同條件下,氣泡工法為壩基減緩達56.54%,而最大沖刷深度為28.27%,意旨水泡工法具有比氣泡工法更能減緩沖刷現象的能力。 依據FLOW-3D多次模式驗證後,結果彙整得知,在流場變化中Z方向上流速變化可看出,氣泡工法或是水泡工法均可減緩Z方向上流速。此外考量未必會有足夠的動力設施,故模擬重力排放的方式來取代電力的抽水,當固定水位時水泡工法之流速與理論推出之流速值相近。zh_TW
dc.description.abstractIn this study, the Air-Bubble and the Water-Bubble Screens are investigated to reduce the kinetic energy of the water flow and solve the downstream scouring problem of the dam. The research is divided into scaled experiments and numerical simulations. First, the Hanxi Dam is selected as the object of analysis. The scaled experiments used flume channel at Hydrotech Research Institute in NTU, and the numerical simulation used FLOW-3D software. It is expected that the proposed methods can reduce the threat of scouring, and achieve a safe and aesthetic treatment without affecting the ecological landscape. The results of the Air-Bubble Screens showed that the scouring depth near the dam and the maximum scouring depth are both decreased. According to the results, the best mitigation effect is achieved when the air to water flow ratio is equal to 0.35. The scouring depth near the dam can be reduced by 56.31%. As for the maximum scour depth, the mitigation is 35.48%. The angle of 30 degrees is considered the best angle to prevent the sand from affecting the Air-Bubble Screens when the upstream is sandy water flow. Considering the lack of conditions for setting up air pumping facilities in the field. The air-bubble is replaces by the water-bubble. To explore the benefits of changing the fluid form to reduce the scouring. The outcomes from the experiments of air bubble is used as the reference for the water-bubble. For example, the air to water flow ratio and the angle of bubble incidence angles. The result of the Water-Bubble Screens was 62.01% reduction in the scouring depth near the dam and 44.17% reduction in maximum scour depth. Under the same conditions, the Air-Bubble Screens was 56.54% in the scouring depth near the dam and 28.27% reduction in maximum scour depth. This means that the Water-Bubble Screens has the ability to mitigate the scouring phenomenon more than the Air-Bubble Screens. After the FLOW-3D model is validated, the results are aggregated to understand that, the flow velocity tends to slow down in the Z-direction in the design of Air-Bubble Screens or Water-Bubble Screens. In addition, considering that there may not be sufficient electrical facilities, gravity discharge is simulated instead of electrical pumping, when the water level is fixed, the simulated flow velocities is similar to the theoretical value.en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2023-03-20T00:14:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2022
en
dc.description.tableofcontents目錄 口試委員審定書 I 摘要 II Abstract III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 VIII 第一章、緒論 1 1.1研究動機 1 1.2研究流程 3 1.3論文架構 5 第二章、文獻回顧 6 2.1常見消能設施及其影響 6 2.2下射水流現象 9 2.3沖刷現象 10 2.3 FLOW-3D模式相關文獻 13 2.4氣泡工法相關文獻 14 2.5小結 16 第三章、研究方法 18 3.1室內渠槽試驗 18 3.2 FLOW-3D試驗模擬 34 第四章、結果與討論 48 4.1模式檢定 48 4.2氣泡工法 56 4.3水泡工法 76 4.4流場變化探討 79 4.5水泡工法之重力排放探討 83 第五章、結論與建議 84 5.1結論 84 5.2建議 85 參考文獻 86 圖目錄 圖1-1 防砂設施下游沖刷坑發展示意圖(林伯勳,2019) 1 圖1-2氣泡防坡堤示意圖 2 圖1-3 研究流程圖 5 圖2-1 靜水池示意圖(水土保持局,2019) 7 圖2-2 護坦示意圖(水土保持局,2019) 7 圖2-3 副壩示意圖(水土保持局,2019) 8 圖2-4沖刷體積與垂直沖擊力之關係圖(陳佳裕,2007) 11 圖2- 5 Rachael R. Barlock實驗配置圖(Rachael R. Barlock, 2013) 15 圖2-6氣泡工法之示意圖 17 圖3-1渠槽尺寸圖 18 圖3-2馬達設備圖 19 圖3-3下游木板排水孔配置圖 20 圖3-4渠槽配置設計圖 20 圖3-5蜂巢整流設備架設圖 22 圖3-6超音波水位計設施圖 22 圖3-7空氣幫浦儀器圖 23 圖3-8抽水幫浦儀器圖 24 圖3-9保麗龍球與尺規儀器圖 24 圖3-10表面流速測量示意圖 25 圖3-11渠槽控制點設置圖 26 圖3-12防砂壩下游河床局部沖刷坑圖(吳銘順,2019) 27 圖3-13寒溪壩歷年縱向沖淤變化圖 28 圖3-14多功能渠槽流量與馬達頻率率定曲線圖 31 圖3-15壓克製作之主副壩模型圖 32 圖3-16粒徑分布圖 32 圖3-17入射角度之示意圖 33 圖3-18 FAVOR技術邊界定義示意圖 37 圖3-19 Shields曲線及其有效範圍(黃林願, 2017) 40 圖3-20模型幾何示意圖 43 圖3-21模擬邊界條件示意圖 44 圖3-22氣泡孔口設計示意圖 45 圖3-23 水泡工法之設計示意圖 46 圖4-1未沖刷前之地形圖 48 圖4-2不同情境模擬之沖刷地形圖 49 圖4-3不同情境模擬之沖刷深度比較圖 51 圖4-4 FLOW-3D流速資料擷取處示意圖 52 圖4-5無氣泡工法之數模與實驗沖刷剖面比較圖 53 圖4-6不同空氣與水流量比(QA/QW)之實驗結果 56 圖4-7不同空氣與水流量比之壩基沖刷減緩程度趨勢圖 61 圖4-8不同空氣與水流量比之壩基沖刷減緩平均效益圖 61 圖4-9水流流況示意圖 62 圖4-10不同空氣與水流量比之最大沖刷減緩程度趨勢圖 62 圖4-11流量Q10、Q25、Q50各情境之實際最大沖刷深度圖 63 圖4-12不同空氣與水流量比之最大沖刷減緩平均效益圖 63 圖4-13不同氣泡孔入射角度之實驗結果圖 64 圖4-14不同氣泡孔入射角度之壩基沖刷減緩平均效益圖 68 圖4-15不同氣泡孔入射角度之最大沖刷減緩平均效益圖 68 圖4-16不同氣泡孔入射角度下最大沖刷減緩與壩基距離統計圖 69 圖4-17 FLOW-3D氣泡工法入射角為0°之比對結果圖 70 圖4-18氣泡工法(入射角為0°)數模與實驗對沖刷變化比較圖 71 圖4-19 FLOW-3D氣泡工法入射角為30°之比對結果圖 72 圖4-20氣泡工法(入射角為30°)數模與實驗對沖刷變化比較圖 73 圖4-21重現期距5年流量下數模水流流況圖 74 圖4-22水泡工法之實驗結果圖 76 圖4-23水泡工法數模與實驗對沖刷變化比較圖 78 圖4-24各情境數值模擬之空氣分布圖 79 圖4-25各情境數值模擬之Z方向流速分布圖 81 表目錄 表3-1縮尺流量推算表 30 表3-2縮尺泥砂粒徑推算表 30 表3-3縮尺流量與馬達頻率對應表 31 表3-4氣泡工法設計參數表 33 表3-5水泡工法流量換算表 34 表3-6 模式土砂粒徑參數表 38 表3-7土壤比重試驗數據表 38 表3-8土壤含水量試驗數據表 38 表3-9 Meyer-Peter &Muller試驗數據表 39 表3-10 Nielsen試驗數據表 39 表3-11 Van Rijn試驗數據表 40 表3-12 θcri推估計算表 41 表3-13河床面粗糙度(ks)與代表粒徑尺寸關係式之比較表 41 表3-14網格參數設定表 43 表3-15邊界條件設定表 44 表3-16上游入流參數設定表 44 表3-17水泡工法之水位推算表 46 表3-18水泡工法之網格參數設計表 46 表3-19數值控制參數設定表 47 表4-1沖刷深度之比較表 51 表4-2實驗與數模流速比較表 52 表4-3實驗與數模沖刷深度比較表 55 表4-4空氣與水流量比(QA/QW)編號對照表 56 表4-5重現期距2年不同空氣與水流量比(QA/QW)下之減緩程度 59 表4-6重現期距5年不同空氣與水流量比(QA/QW)下之減緩程度 59 表4-7重現期距10年不同空氣與水流量比(QA/QW)下之減緩程度 59 表4-8重現期距25年不同空氣與水流量比(QA/QW)下之減緩程度 60 表4-9重現期距50年不同空氣與水流量比(QA/QW)下之減緩程度 60 表4-10氣泡孔入射角度編號對照表 64 表4-11重現期距2年不同氣泡孔入射角度下之減緩程度 66 表4-12重現期距5年不同氣泡孔入射角度下之減緩程度 66 表4-13重現期距10年不同氣泡孔入射角度下之減緩程度 67 表4-14重現期距25年不同氣泡孔入射角度下之減緩程度 67 表4-15重現期距50年不同氣泡孔入射角度下之減緩程度 67 表4-16重現期距2年不同條件下氣泡工法之數據表 75 表4-17重現期距5年不同條件下氣泡工法之數據表 76 表4-18 重現期距2年下縮尺實驗數據比較表 77 表4-19 重現期距5年下縮尺實驗數據比較表 77 表4-20 重現期距2年下數值模擬數據比較表 79 表4-21 重現期距5年下數值模擬數據比較表 79 表4-22水泡工法之流速驗證表 83
dc.language.isozh-TW
dc.title氣泡與水泡工法對於減緩壩體下游沖刷之探討zh_TW
dc.titleInvestigation of the Air-and Water-Bubble Screens for Reducing Scour in Soil and Water Conservation Structuresen
dc.typeThesis
dc.date.schoolyear110-2
dc.description.degree碩士
dc.contributor.oralexamcommittee白朝金(Chao-Chin Pai),詹勳全(Hsun-Chuan Chan)
dc.subject.keyword沖刷坑,FLOW-3D,氣泡工法,水泡工法,zh_TW
dc.subject.keywordScour,FLOW-3D,Air-Bubble Screens,Water-Bubble Screens,en
dc.relation.page88
dc.identifier.doi10.6342/NTU202201830
dc.rights.note同意授權(全球公開)
dc.date.accepted2022-07-29
dc.contributor.author-college生物資源暨農學院zh_TW
dc.contributor.author-dept生物環境系統工程學研究所zh_TW
dc.date.embargo-lift2024-07-28-
顯示於系所單位:生物環境系統工程學系

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