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系統識別號 U0026-0808202000002400
論文名稱(中文) 應用FLOW-3D模擬農塘排砂管之流場
論文名稱(英文) Application of FLOW-3D to simulate flow fields of sand removal pipe in a farm pond
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 水利及海洋工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Hydraulics & Ocean Engineering (on the job class)
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生(中文) 陳維彝
研究生(英文) Wei-Yi Chen
學號 N87071050
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-呂珍謀
召集委員-王裕民
口試委員-詹勳全
口試委員-李明靜
口試委員-賴泉基
中文關鍵字 農塘  清淤  水力排砂  數值模擬  排砂管配置 
英文關鍵字 farm pond  dredging  Hydraulic Slag removal  FLOW-3D numerical simulation  Sand removal pipe configuration 
學科別分類
中文摘要 台灣地區每人每年平均可以分配到的水量,大約只有一千公噸(1,000立方公尺),在公元2000年聯合國水資源白皮書中台灣被列為世界排名第18位缺水國,因此水資源存蓄極為重要。
農塘兼具有灌溉、滯洪、保水、沉砂、生態環境、休閒等功能,僅南高屏三縣市山坡地範圍內的農塘,以3公尺之蓄水深度來估計,其整體的有效蓄水容量已遠超過1座阿公店水庫的有效蓄水量,故零星農塘所累計的蓄水能力不容小覷,但目前蓄水深度小於2公尺的農塘,約佔全體之40%,顯示淤積情況嚴重。在舊有農塘逐漸淤積,失去既有功能之同時,新設農塘又因合適場址找尋與工程用地取得不易無法達成,因此,既有農塘淤積土砂清除增加庫容回復蓄水功能,減緩淤積速度延長農塘使用年限,活化農塘成為重要工作。
綜觀農塘庫容維持策略,大致分為農塘防淤與清淤兩大面向,其中,農塘防淤可透過集水區砂源控制與水力排砂方式達成;而農塘清淤方面,則可以透過水力排砂與機械清淤進行,由此可知農塘透過水力排砂操作可同時達到防淤及清淤之目的,以維持農塘蓄水空間。水力排砂相較於傳統之機械清淤屬於較新工法其效益與成果不明,由於工程施作所費不貲為避免工程效益不佳導致浪費公帑之情形,故應先進行可行性評估,因全尺寸試驗所需經費龐大,一般利用水工模型試驗做初步評估,但因水工試驗由於試驗時間短尺度小,流場內相關物理量變化及分布量測不易,拜近年來科技進步,電腦運算速度提升以及CFD軟體開發愈趨純熟之賜,利用數值模擬應屬更為快速且經濟之可行方式。
本研究利用FLOW-3D軟體模擬農塘排砂管水工模型之流場,經與水工試驗液面洩降歷時、流量律定曲線成果比對,兩者之間顯現高度相依,故利用數值模擬獲得水工試驗中不易量測之物理量及水體流動情形為可行;設置延伸排砂管增加排砂口數量,可有效加流速及紊流能量的影響範圍;加大排砂孔的孔徑會增加流量,但水槽內流場變化不大,流速及紊流能量的影響範圍並無無明顯差異。
英文摘要 Farm ponds have the functions of irrigation, flood detention, water retention, sedimentation, ecological environment protection, recreation, etc., which are extremely important for water resources storage. The loss of water storage capacity due to added sediments needs to be addressed urgently. In this study, the Computational Fluid Dynamics (CFD) software FLOW-3D is used to simulate and analyze the hydraulic model of farm pond with different configurations of sand removal pipe, and after comparing simulation results with hydraulic model test results, we know that we can obtain the physical quantity and the flow of water body in hydraulic test by numerical simulation. Setting up sand removal pipe can effectively increase the influence range of flow velocity and turbulent energy; increasing the diameter of the hole on sand removal pipe will only increase the flow rate, the change of flow field in the tank is tiny, and there is no significant difference in the influence range of flow velocity and turbulence energy.
論文目次 摘要 I
Extended Abstract III
誌謝 XII
目錄 XIII
表目錄 XV
圖目錄 XVI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究方法 5
1.4 本文組織 5
第二章 文獻回顧 7
2.1 農塘簡介與功能 7
2.2 農塘現況 12
2.3 農塘水力排砂方法 14
2.4 農塘清淤之數值模擬應用 17
第三章 模擬模式之建構 19
3.1 FLOW-3D應用流程 19
3.2 水工試驗基本資料收集 20
3.3 數值模型建置 24
3.4 基本控制方程式 26
3.5 紊流傳輸模式 28
3.6 FLOW-3D模擬操作過程 31
第四章 模擬結果與討論 43
4.1 配置1-無排砂管(S1) 43
4.2 配置2-開孔寬0.5公分排砂管(S2) 52
4.3 配置3-開孔寬1公分排砂管(S3) 61
4.4 數值模擬之洩降歷時結果與水工試驗比對 69
4.5 數值模擬之流量律定結果與水工試驗比對 71
4.6 不同排砂管配置下流場變化 75
第五章 結論與建議 79
5.1 結論 79
5.2 建議 80
參考文獻 81
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