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標題: 消能設施對投潭水作用下壓力變化之研究
Variation of pressure distribution downstream of free overfall due to different dissipation arrangement
作者: 蔡建文
Tsai, Chien-wen
關鍵字: free overfall
投潭水
flow nappe
energy dissipation
end sill.
水舌
能塊
尾檻。
出版社: 土木工程研究所
摘要: 殷鑑受制投潭水流作用於渠床者,其水舌之沖擊位置與作用力之大小,是 堰壩下游局部沖刷的主要影響因素,亦為水工構造物中消能設施之設計要 件。為此研究之動機與目的,本文藉由理論推導與因次分析,配合試驗驗 證並與前人相比較之研究方法。文中水工試驗特規劃成(1)無消能設施佈 置、(2) 佈置消能設施──消能塊與尾檻。利用不干擾流場之壓力計設置 ,經由電腦擷取其所輸出之訊號進行數位類比處理,測定投潭水下游段縱 向之底床壓力變動,以窺探所規劃之試驗其投潭水流作用下水力現象之奧 祕。研究成果獲致(1) 當無消能設施佈置時,經由理論推導得知相對於堰 壩高度h之水舌沖擊位置Ld,係跌水數D之函數關係,亦即 Ld/h=f( D) ,其結果所得迴歸公式分別與Moore 之實驗結果、Rand之經驗公式比 較討論,以研判出正確的投潭水沖擊位置。另外,單位寬度之投潭水垂向 沖擊作用分力 Ft,則函數於單位寬度流量q、堰壩高度h、水流密度ρ ,以及重力加速度g,換言之Ft=f(q,h,ρ,g),且試驗證實文中理 論式其準確性極高,並建立一簡易的估算公式。 (2) 當佈置消能設施時 ,本研究提出消能設施佈置因子Ab (消能塊佈置因子)、As (尾檻佈置因 子),藉以了解不同消能設施佈置方式其對投潭水流沖擊壓力分佈變化, 以及動能削減的情形。(a) 當佈置消能塊時,若Ab≦0.6 ,消能效率η與 Ab呈函數關係,經統計迴歸方法得知η=0.95Ab**0.37而當Ab>0.6 時, η值則保持一定約為0.8。有關消能塊下游相對最大沖擊壓力水頭Hb/Hpd 之最小值,則出現在佈置因子 Ab = 0.54,且此時之消能效率亦已達 到0.75以上,故較佳之消能塊佈置,應在佈置因子Ab為0.54之狀態下完成 。(b) 至於佈置尾檻試驗中,發現流過尾檻之流況可分為第一類型、第二 類型、第三類型及飛沫類型等四種。當流況為第三類型時,其消能效果最 佳,消能效率η均大於0.75,且 As 約為0.06時消能效率η更可高達 為0.83,同時,亦顯現其尾檻下游之最大沖擊壓力Hs為最小,故尾檻佈置 時應以產生第三類型流況為佳。
Based on the previous experimental studies for free over- fall, the main influencing factors of the local scour down- stream of the drop structure are the position of nappe and the force density on channel bed. In this research, the pressure transducer and strain amplifier, which do not disturb the flow field, were set up. The pressure distribution along the streamwise direction downstream of the weir were measured through an A-D converter, and compared with the data collected by Moore and Rand. The energy decay under different void ratios for experiments with various dissipation block arrange- ments were investigated. Finally, the influences of the po- sition of end sill on the flow field and energy dissipation were alsostudied experimentally.
URI: http://hdl.handle.net/11455/15022
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