低桶式旋流漏斗排砂器水流特性及泥砂去除效率之研究

Abstract

如何從多砂河川中有效地將水砂分離以取得用水，一直是水利工程相當關注的問題，而旋流漏斗排砂器(Vortex-Chamber-Type Sediment Extractor VCTSE)是一種利用渦流運動來進行水砂分離的裝置，其裝置組成包含了圓桶渦流室、入流系統、排砂底孔及溢流堰等。過去曾有學者利用前人研究歸納出漏斗式排砂器的設計經驗公式。然而，若能進一步得知改變裝置中各元件對排砂效能的影響程度，對於未來的設計必能更有效率且直接地調整其元件配置。此外，在旋流漏斗排砂器中的渦流流況相當複雜且難以使用接觸式的量測儀器去量測其中的流速分布，從前人研究中更凸顯了這項問題，在沒有非接觸式儀器情況下，使用FLOW-3D軟體來模擬排砂器中的流場分布，是本研究想提供的一項經濟且效率的方法。 因此，在水工模型試驗方面，本研究利用改變排砂器的出流口位置、漏斗底部坡度、溢流堰高度及排砂底孔尺寸等四項經常更動之元件，探討其不同組合時的排砂用水特性，進一步歸納出各元件的影響程度。本試驗以入流量為Qcc=2 5×10-3cms與Qcc=4 0×10-3cms及平均粒徑為dm=0 11mm與dm=0 062mm兩種泥砂進行清水與渾水試驗。清水試驗最後歸納出對排砂用水率影響程度為排砂底孔尺寸(d0)最大、溢流堰高度(hw)次之、再者為漏斗底坡斜率(Sc)、出流口位置影響最小。同時也發現當進流量越高時，改變元件配置對於用水率的影響會逐漸趨近於一致，此外，當排砂底孔較小時，溢流堰高度對用水率影響也隨之變小。底孔排水特性分析中可看出，在相同的入流量之下，模型元件配置不同時，排砂用水率可能達到50%的差異。渾水試驗中發現排砂效率會因泥砂粒徑、入流量、元件配置不同而有差異，但並不會因為入流含砂濃度高低而有太大的變化，顯示漏斗式排砂器可以克服高含砂水流的問題。在數值模擬方面，透過FLOW 3D的追蹤自由液面技術(VOF)，並採用大渦模式(LES)的紊流模式成?模擬出排砂器中的渦流空氣柱運動情形。在數值計算結果與水工模型試驗水面線相當一致，而入流水頭高與出流量驗證最大僅有3 46%的誤差，皆在本研究所設定誤差5%範圍內，並定義出斜率在0 05以上屬於渦流空氣柱內範圍。數值模擬主要探討在水深6 3公分、10 3公分及14 3公分三種深度下的速度分量(切向、徑向、軸向)特徵，從模擬結果確立排砂器內部渦流可依流場特徵分為高流速區(Zone I：0≦ r ≦ 0 1R，)、過渡區(Zone II：0 1 ≦ r ≦ 0 8R)及側牆區（Zone III：0 8 ≦ r ≦ 1R），且證實渦流空氣柱的不穩定現象容易導致流場的改變，尤其是在中間的高流速區。

Date of Award	2017 Aug 28
Original language	Chinese
Supervisor	Chyan-Deng Jan (Supervisor)