如何從多砂河川中有效地將水砂分離以取得用水，一直是水利工程相當關注的問題，而旋流漏斗排砂器(Vortex-Chamber-Type Sediment Extractor, VCTSE)是一種利用渦流運動來進行水砂分離的裝置，其裝置組成包含了圓桶渦流室、入流系統、排砂底孔及溢流堰等。過去曾有學者利用前人研究歸納出漏斗式排砂器的設計經驗公式。然而，若能進一步得知改變裝置中各元件對排砂效能的影響程度，對於未來的設計必能更有效率且直接地調整其元件配置。此外，在旋流漏斗排砂器中的渦流流況相當複雜且難以使用接觸式的量測儀器去量測其中的流速分布，從前人研究中更凸顯了這項問題，在沒有非接觸式儀器情況下，使用FLOW-3D軟體來模擬排砂器中的流場分布，是本研究想提供的一項經濟且效率的方法。
因此，在水工模型試驗方面，本研究利用改變排砂器的出流口位置、漏斗底部坡度、溢流堰高度及排砂底孔尺寸等四項經常更動之元件，探討其不同組合時的排砂用水特性，進一步歸納出各元件的影響程度。本試驗以入流量為Qcc=2.5×10-3cms與Qcc=4.0×10-3cms及平均粒徑為dm=0.11mm與dm=0.062mm兩種泥砂進行清水與渾水試驗。清水試驗最後歸納出對排砂用水率影響程度為排砂底孔尺寸(d0)最大、溢流堰高度(hw)次之、再者為漏斗底坡斜率(Sc)、出流口位置影響最小。同時也發現當進流量越高時，改變元件配置對於用水率的影響會逐漸趨近於一致，此外，當排砂底孔較小時，溢流堰高度對用水率影響也隨之變小。底孔排水特性分析中可看出，在相同的入流量之下，模型元件配置不同時，排砂用水率可能達到50%的差異。渾水試驗中發現排砂效率會因泥砂粒徑、入流量、元件配置不同而有差異，但並不會因為入流含砂濃度高低而有太大的變化，顯示漏斗式排砂器可以克服高含砂水流的問題。在數值模擬方面，透過FLOW 3D的追蹤自由液面技術(VOF)，並採用大渦模式(LES)的紊流模式成功模擬出排砂器中的渦流空氣柱運動情形。在數值計算結果與水工模型試驗水面線相當一致，而入流水頭高與出流量驗證最大僅有3.46%的誤差，皆在本研究所設定誤差5%範圍內，並定義出斜率在0.05以上屬於渦流空氣柱內範圍。數值模擬主要探討在水深6.3公分、10.3公分及14.3公分三種深度下的速度分量(切向、徑向、軸向)特徵，從模擬結果確立排砂器內部渦流可依流場特徵分為高流速區(Zone I：0≦ r ≦ 0.1R，)、過渡區(Zone II：0.1 ≦ r ≦ 0.8R)及側牆區（Zone III：0.8 ≦ r ≦ 1R），且證實渦流空氣柱的不穩定現象容易導致流場的改變，尤其是在中間的高流速區。

A vortex settling basin (VSB), consisting of a cylindrical chamber, an inflow system, a bottom orifice outflow and an overflow weir, has been used to separate sediment from sediment-laden water flow. This study carried out experiments and numerical simulations to investigate the characteristics of vortex flow in vortex sediment extraction chamber. This study altered four frequently adjusted components—the position of outflow channel on the sediment extractor, the bottom slope, the height of the overflow weir, and the size of the bottom orifice—to investigate the characteristics of clean water under different combinations. This study conducted clear and muddy water experiments by using the inflow between Qcc=1.0×10-3cms and Qcc=5.0×10-3cms, as well as two types of sediments with the average sediment size of dm=0.11mm and dm=0.062mm. In addition, the velocity distribution in the VSB was analyzed by using FLOW-3D.
The results show that the the clear water experiments concluded that the size of bottom orifice (d0) had the greatest effects on the water consumption rate, followed by the height of the overflow weir (hw), and the bottom slope (Sc). The position of outflow channel was found to have the least effects. The numerical simulation results confirmed that the internal vortex could be classified into high velocity areas(Zone I：0≦ r ≦ 0.1R), transition areas(Zone II：0.1 ≦ r ≦ 0.8R), and wall side areas（Zone III：0.8 ≦ r ≦ 1R）based on flow field characteristics. It was also confirmed that unstable vortex air core could easily cause changes in flow fields, especially to high flow velocity areas in the center.

1.Anwar, H. O., “Turbulent flow in a vortex.” Journal of Hydraulic Research, 7(1), 1-29, 1969.
2.Athar, M., Kothyari, U. C., and Garde, R. J., “Distribution of sediment concentration in the vortex chamber type sediment extractor.” Journal of Hydraulic Research, 41(4), 427-438, 2003.
3.Athar, M., Kothyari, U. C., and Garde, R. J., ‘‘Sediment Removal Efficiency of Vortex Chamber Type Sediment Extractor’’ Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 128(12), 1051–1059, 2002.
4.Athar, M., Kothyari, U. C., and Garde, R. J., ‘‘Studies on vortex chamber type sediment extractor.’’ Journal of Hydraulic Engineering, 8(2), 1–16, 2002.
5.Barkhudarov, M.R. “Lagrangian VOF Advection Method for FLOW-3D®.” Flow Science Technical Note #63, Flow Science, Inc, 2004.
6.Cecen, K., Akmador, N., “Circular Settling Basins with Horizontal Floor”. MAG Report No 183, TETAK, Ankara, Turkey, 1973.
7.Cecen, K., “Hydraulic criteria of settling basin for water treatment, hydropower and irrigation.” Proc. 17th Congress of the Int. Assoc. of Hydr. Res., Baden Baden, West Germany, 275-294, 1977.
8.Chapokpour, J. and Farhoudi, J., “Sediment extractor and flow structure of vortex settling basin.” World Applied Sciences Journal, 14(5), 782-793, 2011.
9.Chapokpour, J. and Farhoudi, J., “Turbulent Flow Measurement in Vortex Settling Basin.” Iranica Journal of Energy & Environment, 2(4), 382-389, 2011.
10.Chapokpour, J., Ghasemzadeh, F. and Farhoudi, J., “The Numerical Investigation on Vortex Flow Behavior Using FLOW-3D.” Iranica Journal of Energy & Environment, 3(1), 105-113, 2012.
11.Curi, K. V., Esen, I. I., and Velioglu, S. G., ‘‘Vortex type solid liquid separator.’’ Prog. Water Technol., 7~2!, 183–190, 1979.
12.Dhillon, G. S., “Sediment Exclusion – A State of the Art Report.” Status Report No. 7, Central Board of Irrigation and Power, India, 1980.
13.Esen, I. I., “Solid liquid separation by vortex motion, Solid-liquid flow.” 1(1), 21-27, 31005, Toulouse, Cedex, France, 1989.
14.Flow Science, Inc., “Flow-3D user manual version 10.0.”
15.Gheisi, A. R. and Keshavarzi, A. R., “Riverine flow sediment exclusion using vortex chamber.” Journal of fisheries andaquatic, 1(2), 142-156, 2006.
16.Hsu, Y. C., Yang, C. Y. and Jan, C. D., “Experimental study on the effect of inflow sediment concentration on sediment removal efficiency of a deep-depth vortex chamber type sediment extractor.” 35th International Association for Hydro-Environment Engineering and Resaerch (IAHR) World Congress, Chengdu, China, 2013.
17.Irrigation and Power Research Institute, IPRI, “Design norm for vortex settling basin.” Rep. No. HY/R/17/89-90, Amrista, Punjab, India, 1989.
18.Jan, C. D., and Nguyen, Q. T., “Discharge coefficient for bottom orifice of vortex chamber.” Journal of Hydraulic Research, IAHR, Vol. 49, No. 3, 388-391, 2011.
19.Jan, C. D., and Nguyen, Q. T., “Discharge coefficient for a water flow through a bottom orifice of a conical hopper.” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 136(8), 567-572, 2010.
20.Keshavarzi, A. R., and Gheisi, A. R. “Trap efficiency of vortex settling chamber for exclusion of fine suspended sediment particles in irrigation canals.” Irrigation and Drainage, 55, 419-434, 2006.
21.Keshavarzi, A., and Gheisi, A. “Stochastic nature of three dimensional bursting events and sediment entrainment in vortex chamber.” Stoch Environ Res Risk Assess, 21(1), 75-87, 2006.
22.Keshavarzi, A., and Gheisi, A. “Three-dimension fractal scaling of bursting events and their transition probability near the bed of vortex chamber.” Chas, Solitons & Fractals, 33(2), 342-357, 2007.
23.Mashauri, D. A., “Selection of settling basin for sediment removal.” Msc Engineering thesis, Tampere University of Technology, Finland, 1981.
24.Mashauri, D. A., “Modeling of vortex settling chamber for primary clarification of water”, PhD thesis, Tampere University of Technology, Tampere, Finland, 1986.
25.Nguyen, Q. T., “Study on a deep-depth vortex chamber type sediment extractor.” Ph. D. Dissertation, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, 2011.
26.Nguyen, Q. T. and Jan, C. D., “Sediment removal efficiency of a deep vortex chamber sediment extractor.” Environmental Hydraulics - Christodoulou & Stamou (eds), 1065-1070, 2010.
27.Ogihara, K., and Sakaguchi, S., “New system to separate the sediment from water flow by rotating flow.” Proceedings of Fourth Congress of the Asia and Pacific Division, IAHR, Chiang Mai, Thailand, 753 – 766, 1984.
28.Paul, T. C., Sayal, S. K., Sakhuja, V. S., and Dhillon, G. S., ‘‘Vortex-settling basin design considerations.’’ Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 117(2), 172–189, 1991.
29.Ranga Raju, K. G., Kothyari, U. C., Somya, S., and Manish, S., “Sediment removal efficiency of settling basins.” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 125(5), 308 – 314, 1999.
30.Ranga Raju, K. G., and Kothyari, U. C., “Sediment management in hydroelectric projects.” Proceeding of the Ninth International Symposium on River Sedimentation, Yichang, China, 19-28, 2004.
31.Salakhov, F. S. “Rotational designs and methods of hydraulic calculation of load-controlling water intake structures for mountain rivers.” Proc. 9th ICID Congress, Moscow, Soviet Union, 151-161, 1975.
32.Velioglu, S. G., “Vortex type sedimentation tank.” M.Sc. Thesis, Bogasiqi University, Turkey, 1972.
33.Ziaei, A. N. and McDonough, J. M., “Using vorticity to define conditions at multiple open boundaries for simulating flow in a simplified vortex settling basin.” International Journal for Numerical Methods in Fluids, 54, 1-28, 2007.
34.王順久、周著、侯杰、王忠，「漏斗式全砂排砂設施模型試驗及原型觀測」，水力發電，第7期，第31-33頁中國大陸，2000。
35.王順久、周著、侯杰、王忠、欒文，「漏斗式全沙排沙工程驗驗研究」，泥沙研究，第3期，第104-109頁，中國大陸，2000。
36.王順久、周著、侯杰、邱秀云，「排沙漏斗的水流特性試驗研究及其工程應用」，水利學報，第7期，第104-109頁，中國大陸，2002。
37.王順久、侯杰、邱秀云，「以流場分析初步探討排沙漏斗的輸沙機理」，新疆農業大學學報，第20卷，第3期，第12-16頁，中國大陸，1997。
38.余新艷、邱秀云、劉芬、牧振偉、李琳，「渾水水力分離清水裝置溢流性能的影響因素試驗研究」，新疆農業大學學報，第31卷，第2期，第81-84頁，中國大陸，2008。
39.李琳、牧振傳、周著，「排沙漏斗截沙率計算」，水利水電科技進展，第27卷，第4期，第50-54頁，中國大陸，2007。
40.肖柏青、周著、邱秀云、侯杰，「排沙漏斗中的二次流及其影響」，新疆農業大學學報，第30卷，第1期，第95-98頁，中國大陸，2001。
41.周著、侯杰，「螺旋流排沙漏斗新技術的研究與應用」，湖南水利水電，第2期，第21-23頁，中國大陸，1996。
42.林程翰，「懸板配置對高桶式旋流排砂器排砂效率影響之試驗研究」，國立成功大學水利及海洋公程學系碩士論文，台灣，2009。
43.武彩萍、任豔粉、姚棣，「放淤工程中泥沙分選漏斗應用效果分析」，人民黃河，第32卷，第2期，第28-31頁，中國大陸，2010。
44.邱秀云、肖俊、周著、侯杰，「渾水水力分離清水裝置清水流場特性試驗研究」，新疆農業大學學報，第29卷，第四期，56-61，中國大陸，2006。
45.邱秀云、侯杰、周著，「排砂漏斗的流場特性及輸砂機理」，中國農村水利水電，第第四期，中國大陸，1999。
46.邱秀云、肖俊、周著、侯杰，「渾水水力分離清水裝置清水流場特性試驗研究」，新疆農業大學學報，第29卷，第4期，第56-61頁，中國大陸，2006。
47.周著、王長新、侯杰，「強螺旋流排砂漏斗的模型試驗和原型觀測」，水利水電技術，第十一期，第44-48頁，中國大陸，1991。
48.侯杰、王順久、周著，「全沙排沙漏斗渾水流場特性及輸沙規律」，泥沙研究，第6期，第63-67頁，中國大陸，2000。
49.唐毅、吳持恭、周著，「排沙漏斗水流結構及對輸沙過程的影響」，水動力學研究與發展A輯，第11卷，第2期，第181-187頁，中國大陸，1996。
50.唐毅、吳持恭、周著，「設導流墩排沙漏斗清水流場的測試研究」，實驗力學，第12卷，第4期，第556-563頁，中國大陸，1996。
51.唐毅、吳持恭、周著，「排沙漏斗三維渦流水流結構」，水利學報，第4期，第55-59頁，中國大陸，1999。
52.唐毅、周著、吳持恭，「排沙漏斗切向流速分布規律的研究」，四川水力發電，第16卷，第4期，第77-81頁，中國大陸，1997。
53.徐燕、邱秀云、朱斌德，「渾水水力分離清水裝置三維流場數值模擬」，人民黃河，第31卷，第3期，第21-22頁，中國大陸，2009。
54.徐燕、邱秀云、李琳，「渾水水力分離清水裝置無懸板時的流場數值模擬」，新疆農業大學學報，第29卷，第1期，第58-62頁，中國大陸，2006。
55.徐郁超，「高桶式旋流排砂器水流特性及泥砂去除效率之研究」，國立成功大學水利及海洋工程研究所博士論文，台灣，2014。
56.徐郁超，「導流墩對漏斗式排砂器內流場穩定效果之研究」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，台灣，2008。
57.陳偉東、徐燕、邱秀云、劉芬，「渾水水力分離清水裝置的流場數值模擬」，水力發電，第33卷，第5期，第27-30頁，中國大陸，2007。
58.黃聰憲，「漏斗式排砂器水流特性及排砂效率之試驗研究」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，台灣，2007。
59.楊小妹、陳雪松，「涇惠渠排沙漏斗溫溼度荷載的特點及解決措施」，西北水電，第2期，第39-40頁，中國大陸，2004。
60.詹錢登、羅偉誠、蔡長泰，「水力旋流漏斗排砂之試驗研究(2/2)」，經濟部水利署水利規劃試驗所，台灣，2007。
61.詹錢登、阮光長、徐郁超、林程翰，「高桶式旋流排砂器排砂效率之試驗研究」，中華防災學刊，第二卷，第二期，第137-150頁，台灣，2010。
62.詹錢登、徐郁超、林程翰、曾奕超，「懸板配置對高桶式旋流排砂器排砂效率影響之試驗研究」，農業工程學報，第五十七卷，第四期，第84-96頁，台灣，2011。
63.劉善均、張建民、曲景學、伊曉林，「排砂漏斗優化及輸砂特性試驗研究」，四川大學學報，第35捲，第四期，中國大陸，2003。
64.劉芬、邱秀云、陳偉東、李琳、趙濤，「渾水水力分離清水裝置的優化試驗研究」，新疆農業大學學報，第30卷，第2期，第81-86頁，中國大陸，2007。
65.魯霞、侯杰、趙慧芳、高蕾，「渾水水力分離清水裝置排沙結構優化的試驗研究」，水利與建築工程學報，第9卷，第2期，第36-39頁，中國大陸，2011。
66.譚初冬，「烏斯圖河渠首的排砂漏斗設計」，水利水電科技進展，第18卷，第6期，第50-53頁，中國大陸，1998。
67.「臺北水源特定區濁度預測模式建立及改善對策研究」，經濟部水利署臺北水源特定區管理局，第302頁。