雲彰地區抽水站抽水機械與抽水井構造物模擬及運轉效率研究(2/2)(附光碟)

台灣西部河川部分區域地勢低窪，故抽水站分佈暨多且廣，對區域的防汛安全，扮演非常重要的角色。且因抽水機機組形式條件各異，進出水構造物形式及布設條件不同，運轉水位變化大，使得抽水站運轉效率及操作條件掌握極為不易。故極有必要針對抽水站水力機械模擬與運轉效率進行專業深入研究。本研究擬就抽水站抽水井條件對抽水站運轉功能影響特性及運轉效率進行研究，並以雲彰地區抽水站為研究案例，進行數值模擬及試驗研究。本計畫區域彰化、雲林地區之抽水站設施多為中小型，且抽水機組形式差異甚大，因此本計畫將系統性蒐集國內外抽水站建築物布設、機組、運轉條件等資料，並評估計畫區內抽水站之功能性與操作條件，建立水利機械三維恆定流場之數值模式，並建立水力機械流場及試驗案例分析與運轉條件之效率研究，希冀能作一在地綜合性的抽水井優選邊界條件，以期能增進計畫區抽水站之運轉效率，及減低相關器材之損耗，並提供國內抽水站機組操作標準之參考。 本計畫工作內容共分4大項工作，分別為抽水站相關設計文獻蒐集、計畫區抽水站資料蒐集、抽水井邊界條件數值模擬分析、抽水井水工流場試驗設計規劃。成果如下： （一）本計畫蒐集抽水井相關邊界條件設置規範，參考各國所提出之規範，擬定抽水站模擬邊界條件參數資料。 （二）資料調查補充部份，完整資料的部份蒐集到虎尾中科站之操作手冊，及土間厝抽水站之設計圖，並針對所蒐集資料進行相關參數彙整。 （三）本計畫蒐集抽水井數值模擬相關文獻及抽水井實驗相關文獻提供作為模擬邊界條件參數資料，並作為模擬成果分析之參考依據。 （四）數模及試驗成果 1.數值模擬成果 （1）矩形後壁形式於不同寬度邊界條件下之模擬，流速分佈均勻度流況最好之寬度邊界條件為2.8D。 （2）矩形後壁形式於不同懸空高度邊界條件下模擬，流速分佈均勻度懸空高度邊界條件最佳為C=0.9D。 （3）矩形後壁形式於不同淹沒深度邊界條件下模擬，相對較佳為hs =2.5D。 2.模型試驗成果 （1）淹沒深在大於hs=1.3 D以上時，其流速分佈均勻性相對更佳，說明淹沒深 hs應盡量取較大值。比較不同不同喇叭口，顯示喇叭口直徑D的增加，入口流速均勻性呈現較佳之趨勢。 （2）由於較強烈的自由表面渦，其中Ⅲ型渦之水流旋轉速度很快，對抽水機的運行產生嚴重影響。而Ⅲ型渦主要出現在比尺λ＝1/10之大型喇叭口（D＝22cm）及中型喇叭口（D＝19cm）之淹沒深（hs＝0.7D）且懸空高C分別為0.3D、0.5D及0.7D等條件中。如果進水池淹沒深度設計不當，將造成池內流速分佈不均，容易生成表面漩渦，本研究中也可看出此一現象。 （3）吸入口平均旋轉角度在5°以內都是可以接受的範圍。淹沒深度hs大於1.3D以上時，大致多能滿足平均旋轉角度小於5°。當淹沒深hs＝0.7D時，結果呈現出平均旋轉角度皆大於5°，整體結果呈現出旋轉角度隨著淹沒深度hs增加而遞減之趨勢。 （4）參考水力優化設計的速度加權平均角度作為目標函數，其代表意義為愈接近90°者愈佳。結果顯示最大之速度加權平均角度多出現在淹沒深hs＝1.7D時。不同淹沒深分析速度加權平均角度與懸空高之關係，結果顯示幾個最大之速度加權平均角度多出現在懸空高C＝0.7D、0.9D及1.2D之間，此一區間大致呈現一鞍部，其中最大速度加權平均角度有較多落在懸空高C＝0.9D。 3. 本計畫採以條件下，根據流場試驗之結果綜合評估國內之抽水站邊界條件，邊界條件優選之寬度邊界B＝2.8D、淹沒深度hs≧1.7D、懸空高度C=0.7~1.2D。