三維水理 × 結構研究試算

新設計拱型梳子壩
開口射流、消能與傳力比較

指定幾何與兩個對照設施,在相同設計洪峰下比較。每個數值均區分已計算結果、假設條件與尚待驗證事項。

載入數值資料…

五項研究指標的完成狀態

壩前/壩頂/壩後

共同斷面流量與流速、近孔及孔後角帶時序已計算;壩頂非單一高程平面。

過壩能量損失

已扣除控制體動能與位能儲存;呈現暫態平均流機械能減少。

壩趾剪應力

混凝土與水流床面分開,列出 t=60 秒空間最大值。

局部沖刷深度

待計算:固定床沒有沖刷深度結果,不以流速直接換算。

不同洪水歷線

已建立 CSV 入流及六組完整歷線案例;完整歷線尚未求解。

每個梳齒開口的射流

開口編號由 θ 小至大。R=35 m 取 Z=4~8.41 m 為近孔監測面;R=30 m 取 Z=0~8.41 m,納入下落射流的壩後角帶;只含混凝土,未計木柵、PVC 或漂流木堵塞。

原生有限體積水相面通量 αΦ 積分;階梯面 Q/A 與速度大小不同。面中心角帶分類約有 1 m 定位誤差,不是精確孔喉通量或全河道流量占比。1 m 網格對約 1.4 m 寬孔口仍偏粗。

下載各開口原生流速時序 CSV

壩趾水流剪應力與結構支承反力

壩趾區定義:距實體下游 Z=0 截線 3 m;混凝土統計 Z=−2~1 m,水濕床面統計 Z=0 且 α>0.95。以下均為 t=60 s。

新拱型固定床水流剪應力
新設計拱型:共同 0–200 Pa 色階
對照固定床水流剪應力

OpenFOAM 14 incompressible wallShearStress 的量綱為 m²/s²,水濕面以 ρ=1000 kg/m³ 轉成 Pa。不是混凝土剪應力、不是洪水全程最大值,也不是沖刷深度;近壁網格尚未收斂。拱座反力比例只說明此固定支承模型的下游向傳力分配。

下載壩趾與支承比較 CSV

壩前/壩後流速與能量收支

共同壩前 Y=−20 m、共同壩後 Y=20 m:距不同設施的距離不同。其他 Y=25、30、40、50 m 及完整時序請看三維比較頁。消能控制體 Y=−20~50 m,最後 10 秒積分,含模型及數值耗散;不得單稱水躍效率。

完整洪水歷線:輸入邊界與待驗證結果

平台三角歷線設定 Tp=864 s、Tb=2340 s 是設計假設。下圖僅顯示輸入流量,並沒有用洪峰片段縮放流速、應力或沖刷。

完整歷線最大流速:尚待三維 CFD 求解。局部沖刷深度:需河床 D50/D90、級配、床層厚度、土砂密度、含砂歷線與動床模型。土砂調節及整體治理效益尚不能據本頁定量判定。

主應力、最大力與研究限制

混凝土分析同時呈現主拉、主壓與剪應力。水壓已含靜水項並守恆轉移至結構網格;各時點解三維線彈性靜力。

最大容許力:尚不可判定。假設抗拉強度 2 MPa;局部應力峰值未完成網格收斂。自重背景已達假設門檻,不代表容量為 0 kN。原拱型與展直對照均需進一步處理開口角點、薄片與實際接合。

圖說混凝土 fc=27.459 MPa;估算 E=19.692 GPa、假設 ν=0.2、ρ=2400 kg/m³。壩底與兩側拱座固定,未含揚壓、基礎柔度、接縫接觸、配筋、壓碎、裂縫軟化、動力撞擊及雙向流固耦合。傳統壩是同跨度的假設對照,非現地傳統壩。

方程與驗證證據

流體:∇·u=0;水相 VOF 輸運;含重力與 k–ω SST 湍流模型的三維動量方程。結構:Ku=f自重+fCFD;壁面壓力牽引按法向與形函數積分。主拉=max(λmax(σ),0),主壓=max(−λmin(σ),0),最大剪應力=(λmax−λmin)/2。

控制體能量:D=∫(Pin−Pout)dt−ΔE儲存,η=D/∫Pin dt。穩態另檢查出口流速變幅、儲水量及能量儲存比例。數值平衡與工程可信度不同。

靜水壓相對 RMS 誤差 2.74×10⁻⁸、偽流速 3.43×10⁻⁶ m/s。CFD原生面力對轉移前合力誤差最大3.03×10⁻⁸,力矩6.11×10⁻⁷;反力誤差最大1.32×10⁻¹⁴。0.75m相對1m在20秒的局部斷面最大流速差約14%,因此尚不能宣稱孔口射流或局部應力收斂。

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既有三維實算動畫

50年清水洪峰・過壩水流
100年清水洪峰・主拉應力;未作安全判定