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系統識別號 U0002-0307201219104600
中文論文名稱 非連續異重流在斜板上的運動
英文論文名稱 Gravity currents from instantaneous sources propagating on sloping boundaries
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 陳宥尹
研究生英文姓名 Yu-Yin Chen
學號 698480364
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-05
論文頁數 40頁
口試委員 指導教授-戴璽恆
委員-蔡東霖
委員-黃名村
中文關鍵字 異重流  渠槽實驗  熱體理論  低階模型  斜板 
英文關鍵字 Gravity currents  Flume experiment  Thermal theory  Low-dimensional model  Inclined plate 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 異重流又名為重力流或密度流,是因密度差異所形成的流動現象。流體溫度的變化、溶解或懸浮的物質如鹽及泥沙,皆會造成密度的差異而產生流動現象。近年來,在台灣異重流的研究與水庫的操作和維護緊密相關。夾帶懸浮泥沙的入流進入水庫,即因密度較大而在水庫底部形成異重流往下游方向運移。
瞭解異重流在斜坡上的運動特性,可以有效幫助水庫水利排沙的操作。目前,異重流在斜坡上運動的研究可分為連續入流與非連續入流兩類。連續入流的情況下,也可能會形成類似非連續入流所產生的流況。本研究從非連續之異重流在斜坡上運動著手,探討異重流在此情況中之運動特性,於實驗中觀察角度對異重流運移的速度、頭部的空間成長率以及與清水混合、分離的影響,並與目前之理論低階模型做一具體驗證。
現階段廣泛使用之非連續異重流在斜坡運動的低階模型是由Beghin, Hopfinger, and Britter (1981 J. Fluid Mech.)所發展的熱體理論(thermal theory)。於本研究發現,隨著角度的增加,異重流頭部長度、高度、最大濃度以及面積的增長率都會隨之增加。
英文摘要 Gravity currents, also known as density currents, are buoyancy-driven flows generated by a density difference. The density difference can be due to a temperature differential, dissolved or suspended materials, e.g. salt and sediments. In recent years, the research in gravity currents has drawn significant attention concerning the operation and sedimentation management of reservoirs in Taiwan.
Understanding the characteristics of gravity currents on sloping boundaries can effectively improve the operation and sedimentation removal in reservoirs. At present, the research of gravity currents on sloping boundaries can be divided into two categories based on the inflow condition, i.e. continuous buoyancy inflow and instantaneous (discontinuous) buoyancy release. Even in the continuous inflow case, occasionally the gravity currents generated can be similar to the discontinuous case. Our focus here is on discontinuous gravity currents on sloping boundaries and to study the impact of the slope angle on the characteristics of gravity currents, including the front velocity, the spatial growth rate of the head, entrainment, detrainment, and comparison against the low-dimensional thermal theory.
The broadly used thermal theory was developed by Beghin, Hopfinger, and Britter (1981 J. Fluid Mech.). In this study, we found that as the angle increases, the length, height, maximum concentration and area growth rate of head of gravity currents will increase.
論文目次 目錄 I
表目錄 III
圖目錄 IV

第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
第二章 文獻回顧 3
第三章 實驗方法與裝置 8
3-1 實驗裝置 8
3-2 實驗方法與流程 11
3-2-1 實驗方法 11
3-2-2 實驗流程 14
第四章 實驗結果與分析 17
4-1異重流之頭部結構 17
4-1-1 異重流之頭部長度 17
4-1-2 異重流之頭部高度 21
4-2異重流前端速度 24
4-3異重流前端濃度 29
4-4異重流頭端面積 33
4-5異重流前端位置於減速區之變化 36
第五章 結論與建議 38
5-1結論 38
5-2建議 39
參考文獻 40
表4-1各角度之Xo、a、to、α值。 37
圖2-1 lock-exchange flows實驗示意圖 7
圖3-1 實驗裝置示意圖 8
圖3-2 實驗拍攝圖 13
圖3-3 異重流示意圖 15
圖3-4 試驗流程圖 16
圖4-1 不同角度之異重流長度與前端下游距離的關係圖 19
圖4-2 異重流長度的增長率與角度的關係圖 20
圖4-3 不同角度之異重流高度與前端下游距離的關係圖 22
圖4-4 加速區異重流高度的增長率與角度的關係圖 23
圖4-5 減速區異重流高度的增長率與角度的關係圖 23
圖4-6 不同角度異重流前端位置與時間t關係圖 26
圖4-7 角度與S關係圖 27
圖4-8 前端速度與時間t關係圖 28
圖4-9 前端最大速度與角度關係圖 28
圖4-10 不同角度之前端濃度與前端下游距離關係圖 31
圖4-11 Ad的增長率與角度關係圖 32
圖4-12 頭端面積與前端下游距離關係圖 34
圖4-13 加速區頭端面積的增長率與角度關係圖 35
圖4-14 減速區頭端面積的增長率與角度關係圖 35
圖4-15 前端位置與時間關係圖 37
參考文獻 1. Beghin, P., Hopfinger, E. J., and Britter, R. E., “Gravitational convection from instantaneous sources on inclined boundaries,” J. Fluid Mech. 107, 407–422 (1981)
2. Britter, R. E. and Linden , P. F., “The motion of the front of a gravity current travelling down an incline,” J. Fluid Mech. 99, 531–543 (1980)
3. Dai, A. and Garcia, M., “Gravity currents down a slope in deceleration phase,” Dyn. Atmos. Oceans 49, 75–82 (2010)
4. Dai, A., “Note on the generalized thermal theory for gravity currents in the deceleration phase,” Dyn. Atmos. Oceans 50, 424–431 (2010)
5. Graf, W. H. , “The behaviour of silt-laden current,” Water Powerand Dam Construction, pp.33-37(1983)
6. Maxworthy, T. and Nokes, R. I., “Experiments on gravity currents propagating down slopes. Part 1. The release of a fixed volume of heavy fluid from an enclosed lock into an open channel,” J. Fluid Mech. 584, 433–453 (2007)
7. Maxworthy, T., “Experiments on gravity currents propagating down slopes. Part 2. The evolution of a fixed volume of fluid released from closed locks into a long, open channel,” J. Fluid Mech. 647, 27–51 (2010)
8. Morton, B. R., Taylor, G. I., and Turner, J. S., “Turbulent gravitational convection from main-tained and instantaneous sources,” Proc. Roy. Soc. A 234, 1–23 (1956)
9. Rastello, M. and Hopfinger, E. J., “Sediment-entraining suspension clouds: a model of powdersnow avalanches,” J. Fluid Mech. 509, 181–206 (2004)
10. Shin, J., Dalziel, S., and Linden, P., “Gravity currents produced by lock exchange,” J. Fluid Mech. 521, 1–34 (2004)
11. Simpson, J., “Gravity Currents, ” 2nd ed. Cambridge University Press, (1997)
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