應用FLOW-3D模擬橋墩周圍流場及底床沖刷之研究

Abstract

當水流經過橋墩時於橋墩周圍會產生渦流現象，進而造成河床的沖刷，甚至危害橋墩的安全。然而台灣地區降雨型態具高強度及長延時之特性，因此形成數種形式的流量歷線，其對於橋墩周圍流場特性與沖刷將產生不同之影響。本研究利用三維數值模擬軟體(FLOW-3D)模擬橋墩周圍流場及沖刷之情形，首先以定量流流況下非均勻橋墩沖刷之模型試驗對FLOW-3D數值模式進行驗證，結果說明FLOW-3D數值模式可以合理模擬橋墩沖刷情形，並進一步探討定床與動床流場分布差異，其模擬結果顯示，動床配置下的流場分布可能受到動床變化影響，於橋墩周圍流速較小且較為混亂。此外，本研究針對不同流量歷線模擬橋墩周圍局部沖刷差異進行探討，其中流量歷線形式包含一種定量流、五種單峰型變量流(分為總水量相同與總延時相同)、三種多峰型變量流(其中兩種為雙峰型變量流)。根據單峰型模擬結果顯示，在總水量相同條件下，尖峰流量的大小將影響沖刷深度；總延時相同條件下，沖刷深度受總水量影響。接著本研究針對兩種不同尖峰流量之雙峰型變量流進行探討，高尖峰流量之組別在兩個峰值附近各沖刷約總沖刷深度的50%；低尖峰流量之組別則在到達第二個峰值附近方產生較大沖刷深度。最後多峰型變量流(固定總延時與總水量)的沖刷模擬結果顯示，達尖峰流量次數增加，河床最終沖刷深度也較大。雙峰型較單峰型變量流增加了總沖刷深度的22 1 %，但四峰型變量流之最終沖刷深度僅增加34 6 %，可能因流量超過泥砂臨界啟動速度時會產生一般沖刷之現象，造成沖刷過程中同時產生泥砂回填，此現象因達尖峰流量的次數增加而漸趨明顯，於第三個及第四個洪水波產生後各自回填了約總沖刷深度的2 %與17 %，且可能受到流量變化迅速影響，起始沖刷時間較單峰及雙峰型歷線延遲約30秒，至第三個尖峰流量產生時方有明顯下向刷深情形。

Date of Award	2015 Aug 12
Original language	Chinese
Supervisor	Chyan-Deng Jan (Supervisor)