過水障礙物流形對壅塞明渠流況之影響

Abstract

明渠水流通過潛水堰等結構物後，所產生的轉換(transition)流況，一直都是水利工程師所感興趣的問題。這些轉換流況通過臨界點的越臨界流流況，更是相當重要，因為臨界點將是整體渠道流量的控制點。此控制點的存在，也是淹水發生的必要因素；當發生淹水時，下游將無法適量排出上游提供之流量，必須抬升水位以增加可通過流量，因此形成壅塞流(choked flow)，而其壅塞位置就是臨界點的位置。從傳統明渠水力學，可知臨界點處將發生於底床最高點及比能最小處，但從實際過堰水流的觀察中，可知堰頂處水流將不再是靜水壓力分布，且臨界點不可能同時出現在同高的堰頂處，因此這個結果將不再適用。為此，本研究考慮自由液面中水面斜率的完整效應，使得越臨界點之明渠水流分析更符合實況。 本研究採用流線座標數值方法，計算越臨界流經不同堰形(包含底床斜率與曲率變化)之流況。並搭配流線座標及使用擴充型von Mises轉換，來解決傳統卡氏座標應用不規則邊界計算的困難。但因涉及未知自由液面的計算，且發生臨界條件下的流量為未知值，使得用一般的求解方法，例如：迭代法或牛頓法的計算將遇到?多衍生困難。為此，本研究使用最佳化的方法來計算，來解決此非線性的問題。 本文併用一維和二維計算，以得到自由液面形狀和臨界流量，並進一步分析其斷面速度和壓力分布。得知二維越臨界流，使用一維流管概念的計算將是可行的。除此之外，不同堰形的水力特性也將是本研究的分析重點。從而得知改變堰形的斜率與曲率，將能對底床負壓力有直接的改善?效。並推論底床斜率的影響似乎較曲率來的明顯。

Date of Award	2017 Aug 31
Original language	Chinese
Supervisor	Chii-Jau Tang (Supervisor)