文獻回顧

1.2.1 丁壩之文獻回顧

丁壩工法常用於挑流及防止岸壁沖刷，然而河中丁壩設置使得通水斷 面減少，導致水流通過丁壩後產生局部加速以及壩後迴流效應，使得丁壩 區域內流場劇烈變化，本文從水理角度探討丁壩區域內流場變化情形。

Chen and Li (1989)使用二維水深平均 k-ε 紊流模型模擬丁壩流場，觀察 丁壩周圍流速、紊流動能(turbulent kinetic)及消散速率(dissipation rate)分布。

Tingsanchali and Maheswaran (1990)同樣使用二維水深平均模型模擬丁壩流 場，更進一步觀察底床剪力分布，進行底床沖刷能力之評估。Molls et al.

(1995)使用定值渦流黏滯度模型(constant eddy viscosity)模擬丁壩周圍流場，

發現也可以得到與真實相近結果，不需使用其他更複雜的紊流模型來描述。

Mayerle et al. (1995)採用三維靜水壓(static pressure)描述丁壩周圍流場行為 並考慮側壁邊壁影響水流情況，發現不同紊流模式之影響不大。上述學者 都假設河流呈靜水壓分布，推估丁壩周圍流場分布情形。

Zhou (2001)開發二維大渦模型(large eddy simulation model)模擬丁壩附 近流速分布，模擬結果與實驗室案例相近。Ettema and Muste (2004)利用縮 尺度模型模擬實驗室定床案例，與之比較探討模型率效應，發現在縮尺度 模型下水流經過丁壩後，加速區域與迴流區域並未受到模型率影響其分布。

Peng (2004)統整丁壩試驗研究與數值模擬結果，建立丁壩周圍流動三維模

型，對於丁壩流場與局部沖刷行為作整理介紹。Uijttewaal (2005)利用 1：40 縮尺度模型研究保持通水斷面不變的情況下，改變丁壩形狀等因子，觀察 其附近紊流特性和局部沖刷效果，但由於此局部流場現象十分複雜，使用 水深平均去推算在精度方面有待加強。

這些研究顯示紊流效應與真實情況接近且可藉由改變上游流況可使得 局部沖刷最小化。但在潛沒式丁壩情況下，流況更為複雜且局部水理現象 將更難以觀察，這些現象無法使用以往二維水深平均模型進行探討。

Tang et al. (2006)利用三維大渦模型模擬非潛沒式丁壩，分析壩後流場 情形。MacCoy et al. (2008)利用大渦模型模擬丁壩在不同水流攻角下，其水 深方向渦流分布情形。Yazdi et al. (2010)對於丁壩進行全三維紊流模擬，利 用體積分率(volume of fluid)定義自由液面，觀察不同流況下底床剪應力情形。

文獻統整結果如表 1-1 所示。

表 1-1 文獻統整表

Tingsanchali &

Maheswaran (1990) 2D 底床剪力

Ettema & Muste

(2004) 物模 模型率 模型率並未改變流場分佈情形

在實際應用上，丁壩極少以單座形式應用於河道中，也鮮少有人探討 丁壩間之交互作用。本研究利用全三維紊流模式模擬兩支潛沒式丁壩在不 同流況下之流場，並針對區間內渦度做進一步的探討。

1.2.2 三維模式之文獻回顧

本研究比較國內外常用計算流體力學(CFD)軟體，包括 CFX、FLUENT、

Flow-3D 等，而 CFX 與 FLUENT 分別於 2003 與 2006 被 ANSYS 收購，更 名為 ANSYS CFX 跟 ANSYS FLUENT，在收購後兩模式仍有區別，所以於 此將兩者分開討論。各模式大多經過長久的開發與發展，基本運算及功能 性方面沒有相差太多，於此列出主要特點，分別概述如下：

1、 ANSYS CFX

CFX 是由英國 AEA 公司所開發計算流體力學軟體，其強大的圖形介面 功能可節省傳統 CFD 計算條件設定時間，搭配新的外型與網格建立模組 ICEM CFD，可快速建立複雜之幾何外型並產生計算網格，具不相稱網格交 界面處理能力，可計算具有紊流、燃燒與輻射、二相流、自由液面等特徵 之流場。數值方法方面，和大多數 CFD 軟體不同點在於 CFX 採用了基於有 限元素的有限體積法，在有限體積法的守恆特性基礎上，吸收了有限元素 法的數值精確性，相對於單純有限體積法對六面體採用 6 點內插，在網格 上採用 24 點內插，；而相較於單純有限體積法對四面體網格採用 4 點內插，

在網格上採用 60 點內插。

從水理角度方面來說，模式包含了大多數紊流模組，從基本的 k-ε、

k-ω、SST（Shear stress transport）模型跟大渦模型等，都已在模式中提供 使用者參考選用。

2、 ANSYS FLUENT

FLUENT 是美國 FLUENT 公司所發展的三維計算流體力學軟體，此軟 體已廣泛地被用在空氣動力學、工業工程及建築通風設計、多相流場等。

其靈活的非結構網格以及根據求得的解自動細化或粗化網格技術，可讓解 獲得更好的精度並提高程式運算效率。在邊界的設定方面，可讓使用者定 義多種邊界條件，如上游及下流速或壓力邊界、壁面邊界條件等，並可採 用卡式座標和圓柱座標系分量方式輸入進口條件。在模式運算方面可進行 平行處理，大幅提高運算效率，改善以往三維模式需要長時間運算的缺點，

讓使用者可以在最短的時間中得到最佳的結果。

水理方面，同 CFX 一樣將所有常見的紊流模式都包含其中供使用者來 選用，這方面的功能因為都經過多位學者專家研究與改善，並沒有多大差 異。

3、 FLOW-3D

FLOW-3D 特點在模擬具有自由液面流場模擬分析，以卡氏座標網格模 擬簡化計算，避免使用者花費過多時間處理網格製作。FLOW-3D 在操作設 定上非常簡便，網格製作使用卡氏座標網格，在結構複雜處可新增一結構 區域細化網格以增加精度。不同於 CFX 跟 FLUENT 兩個模式選用有限體積 法來求解，FLOW-3D 採用有限差分法來求解，至於水理方面，不同於前面

兩個模式(CFX、 FLUENT)，在紊流模組方面只提供了 k-ε 跟大渦模型來 供選擇。

上述三套 CFD 軟體主要差異在於數值離散方法，FLUENT 為有限體積 法，CFX 為基於有限元素法改良之有限體積法，而 FLOW-3D 則是有限差 分法。此三種離散方法特性，有限元素的概念是最小誤差法，必須求解矩 陣，在計算上需消耗較多運算資源；有限差分法基於結構性網格，無法處 理過於複雜的幾何邊界；而有限體積法之計算效率優於有限元素法，且其 適用於結構與非結構性網格，能處理複雜邊界問題。因此從效率與應用面，

本研究選擇 Fluent 模擬與分析丁壩流場問題。

Fluent 能夠根據計算結果調整網格，此自動調適網格能力對於高精度需 求與有較大梯度流場處可局部加密網格。由於此功能只有在需要加密流動 區域實施而非全流場，因此可節省計算時間。平行運算功能需要額外授權 且須使用更高階硬體來配合，在本文中並未使用使功能來運算。