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研究生: 吳志偉
Wu, Jhih-Wei
論文名稱: 海底山崩視為流變流體引發之海嘯傳播三維數值模擬
A Three-Dimensional Numerical Simulation on the Tsunami Propagation induced by a Large-scale Underwater Avalanche as a Rheological Fluid
指導教授: 方中
Fang, Chung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 91
中文關鍵詞: 流變流體海底山崩海嘯分析
外文關鍵詞: Rheological Fluid, Underwater Avalanche, Tsunami Analysis
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  • 根據台灣海嘯歷史資料可知,由山崩所引起之海嘯有兩起,且皆發生於基隆嶼附近,分別於西元1867年和1918年,而其中1867年之基隆大海嘯造成嚴重傷害
    。由於核一廠與核二廠座落於台灣東北部,若基隆嶼發生山崩,所產生之海嘯是否對核電廠產生影響係非常重要之課題。為分析前敘情況,本研究使用FLOW-3D軟體進行海嘯三維模擬分析。
    本研究假設崩塌體為一流變流體,其體積係基隆嶼位於海平面上之體積的七十五分之一,並採用能量等效原則,只改變流體密度,共假設七種不同密度之崩塌體。將其放置於基隆嶼,使其受重力自由驅動,並與水體相互作用產生海嘯波,藉此模擬出海嘯傳遞於核一廠與核二廠之情形。
    根據模擬結果顯示,海嘯之波高、速度會與崩塌體對應體積成正比關係,並求解出其關係式。由波高歷時圖,海嘯最大波高未必為第一波,可能是第二波,甚至為第三波之波高較為巨大,因此核電廠應注意海嘯後期之波浪衝擊。且觀察模擬結果可發現核一廠之波高較核二廠還大,核二廠最高波高約為0.32m,而核一廠則為3.8m。其原因可能為核二廠附近地形之影響,由於其地形為一向內凹之海灣,海嘯傳遞於核二廠之前會先受外圍地型阻擋,並產生繞射現象,致使海嘯侵蝕核二廠之波高較小。
    由本研究之結果分析,若基隆嶼發生海底山崩,其所引發之海嘯,會大約於550多秒時抵達核二廠,且大約於900多秒時才會抵達核一廠,故能否在此時間裡面做出保護措施與對策,將是核一廠與核二廠應注意之重點。

    關鍵字:流變流體、海底山崩、海嘯分析。


    SUMMARY

    This study uses FLOW-3D Numerical simulation software to conduct Three-Dimensional Numerical Simulation on the Tsunami Propagation. Assuming that a Large-Scale Underwater Avalanche takes place at Keelung Islet, and the collapse is Rheological Fluid, the volume of collapse is assumed the one-seventy-fifth volume of Keelung Islet above the sea level. Using the energy equivalence principle, and assuming seven different densities of the collapse to place it on Keelung Islet. When the collapse falls into water, it would induce the tsunami propagation, and simulates the situation that the tsunami waves travel to the shore of the 1st Nuclear Power Plant and 2nd Nuclear Power Plant.
    According to the analysis results, the highest wave height at the 1st Nuclear Power Plant reaches 3.8 meters, and the highest wave height occurs at 2nd or 3rd wave. As for the highest wave height at 2nd Nuclear Power Plant, it only reaches 0.32 meters due to the influence of the surrounding natural topography. The tsunami arrived at 2nd Nuclear Plant in about 550 seconds, and arrived at 1st Nuclear Plant in about 900 seconds. Therefore, it is a main focus for 1st Nuclear Power Plant and 2nd Nuclear Power Plant to come up with precautions and strategies in these period of time.

    Key words: Rheological Fluid, Underwater Avalanche, Tsunami Analysis.

    摘要 ⅰ Abstract ⅱ 誌謝 ⅴ 目錄 ⅵ 表目錄 ⅷ 圖目錄 ⅸ 符號說明 xii 第一章 緒論 1 1.1 海嘯介紹 1 1.1.1 海嘯之定義 1 1.1.2 海嘯的生成與傳播 2 1.1.3 海嘯規模與海嘯可信度 5 1.1.4 台灣海嘯歷史紀錄 6 1.2 研究動機 8 1.3 研究目的 10 1.4 相關文獻 11 1.5 論文架構 12 第二章 理論分析 13 2.1 黏性流體介紹 13 2.1.1 牛頓黏度定律 13 2.1.2 牛頓流體(Newtonian Fluid) 14 2.1.3 非牛頓流體(Non-Newtonian Fluid) 14 2.2 基本控制方程 17 2.2.1 質量守恆(Conservation of Mass) 17 2.2.2 動量守恆(Conservation of Linear Momentum) 17 2.2.3 牛頓流體之本構方程 18 2.2.4 納維-斯托克斯方程式(Navier-Stokes Equations) 18 2.3 淺水波方程(Shallow-Liquid Waves Equations) 19 2.4 紊流之介紹(Turbulence Flow) 21 2.4.1 雷諾數(Reynolds Number) 21 2.4.2 雷諾方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations, RANS) 22 2.4.3 k-ε 紊流模型之介紹( k-ε Model) 23 第三章 數值模擬 25 3.1 FLOW–3D 數值模型介紹 25 3.2 FLOW–3D 操作介面介紹 27 3.2.1 模擬檔案管理介面(Simulation Manager) 27 3.2.2 模型設置介面(Model Setup) 29 3.2.3 資料後處理分析介面(Analyze) 34 3.2.4 資料呈現介面(Display) 35 第四章 模擬方法與結果 36 4.1 問題定義 36 4.2 海底地形與崩塌體資料 37 4.2.1 地形資料 37 4.2.2 崩塌體資料 40 4.3 模擬之設定 43 4.3.1 基本參數設定 43 4.3.2 崩塌體初始位置 44 4.4 模擬方法 46 4.4.1 第一階段模擬 46 4.4.2 第二階段模擬 48 4.5 數值模擬結果與討論 50 4.5.1 對應體積與波高、速度關係式 51 4.5.2 模擬結果分析 52 4.5.3 核一廠模擬結果 54 4.5.4 核二廠模擬結果 61 第五章 結論與未來展望 68 5.1 結論 68 5.2 未來展望 69 參考文獻 70 附錄 72

    參考文獻

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