波狀水躍流場之水理分析

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姓名

胡富雁(Fu-Yan Hu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

波狀水躍流場之水理分析
(The Study of Undular Jumps)

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摘要(中)

波狀水躍屬自由邊界問題，本研究以數值模擬及水工模型試驗探討波狀水躍流場特性。模式使用有限體積法離散計算網格，並配合流體體積法決定自由液面，Navier-Stokes equation採用投影法估計，且加入大渦流紊流模式處理紊流剪應力。實驗以洩水閘門產生超臨界流，藉由調整尾水檻控制下游水深，觀察波狀水躍並以模式驗證。
本研究發現，波狀水躍產生不均勻底床剪應力，波谷下剪應力較強。流場速度變化僅在水流上層，但無渦度產生，故其消能較慢。由流場之動壓分佈，波谷的動壓大於波峯的動壓，造成水面的抬升。

摘要(英)

In order to investigate the flow characteristic of the two-dimensional undular jump, this paper proposes a numerical simulation and conduct a hydraulic physical model to validate the propose scheme. In this paper, the finite volume method and volume of fluid coupled with large eddy simulation technique to simulate the free-surface profile of undular jump. Then, the proposed scheme is applied to the numerical simulation of the physical model. The comparisons between the simulated result and the measured data show that the proposed scheme can reasonably simulation the free surface profile and the velocity distribution of wave crest and wave trough. The results highlight the nonuniformity of the boundary shear stress distributions.

關鍵字(中)

★ 底床剪應力
★ 大渦流紊流模式
★ 流體體積法
★ 波狀水躍

關鍵字(英)

★ undular jump
★ boundary shear stress.
★ large eddy simulation
★ volume of fluid

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 X
符號表 XI
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 2
1-3 本文架構 3
第二章文獻回顧 4
2-1 波狀水躍之流況型態 5
2-2 上游流況之研究 7
2-2-1 邊界層發展 7
2-2-2 紊流強度 9
2-3 波狀水躍流場分析之研究 9
2-3-1 波長與波高 9
2-3-2 流速分佈 10
2-3-3 底床剪應力 11
第三章理論分析與數值方法 12
3-1 模式簡介 12
3-2 控制方程式 13
3-3 紊流模式 14
3-4 數值方法 17
3-4-1 有限體積法 17
3-4-2 流體體積法 19
3-4-3 自由液面的決定 20
3-4-4 投影法 22
3-4-5 程式運算流程 23
3-5 邊界條件及初始條件 23
3-5-1 不可滑動邊界 23
3-5-2 自由面邊界 23
3-5-3 上游入流邊界 24
3-5-4 下游出流邊界 24
3-5-5 啟始條件 25
3-6 網格設計 25
3-7 數值穩定度 25
第四章水工模型試驗 28
4-1 實驗目的 28
4-2 實驗設備 28
4-3 實驗條件 33
4-4 實驗方法與步驟 34
4-4-1 流速量測 34
4-4-2 實驗步驟 35
4-5 實驗結果 36
4-5-1洩水閘門開口流速 36
4-5-2 實驗波狀水躍特性 38
第五章結果與討論 42
5-1 穩態分析 42
5-2 決定CS 44
5-3 模式驗證 44
5-3-1 實驗與數值水位 45
5-3-2 實驗與數值速度 45
5-3-3 波長與波高 46
5-3-4 超臨界流水面 48
5-3-5 尾水位 49
5-4 底床剪應力 49
5-5 流速分佈 51
5-6 渦度分佈 53
5-7 紊流強度分佈 54
5-8 壓力分佈 55
5-9 流線分佈 56
5-10 能量分佈 56
5-11 加砂試驗 57
第六章結論與建議 59
6-1 結論 59
6-2 建議 60
參考文獻 61
附錄一 65
附錄二 69
附錄三 73

參考文獻

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指導教授

周憲德、吳祚任
(Hsien-Ter Chou、Tso-Ren Wu)

審核日期

2007-7-24

推文