本研究進行室內模型試驗以探討高桶式旋流漏斗排砂器之排砂能力，並進行三維水流數值模式模擬排砂器內部之水流特性，用以輔助說明模型試驗所觀測之現象。高桶式旋流漏斗排砂器主要是將含砂水流經由其下層入流管流入旋流漏斗排砂器內，並於漏斗室內進行圓周運動，利用離心力與重力之交互作用將水砂分離，進而使含砂濃度較高之渾水由漏斗室底部之排砂底孔排出，而含砂濃度較低之渾水由排砂器表層出流口處流出，以達到排渾取清的目的。試驗於直徑(D) 48 cm及高度130 cm的高桶式旋流漏斗排砂器進行試驗。高桶式旋流漏斗排砂器的基本結構包含下層入流管、圓形漏斗室、圓形柱體室、表層出流口、排砂底孔及水平懸板所組成，其中下層入流管及排砂底孔直徑與圓形柱體室高度可進行調整，而圓形柱體室至多可安裝三片水平懸板。模型試驗的下層入流量範圍介於0.06×10-3 cms至1.6×10-3 cms之間，而渾水試驗使用的泥砂材料分別為粉土泥砂(兩種中值粒徑為0.0128及0.041 mm)與石門水庫淤泥(中值粒徑為0.0037 mm)，入流水的含砂濃度介於20 g/l至85 g/l之間。
本研究進行128組的高桶式旋流漏斗排砂器室內模型試驗(包含清水試驗62組與渾水試驗66組)。清水試驗結果顯示，當渦流強度(Tr)小於8.0×10-5時，高桶式旋流漏斗排砂器內為弱旋流流況，然而高桶式旋流漏斗排砂器內部的渦流強度與流場穩定性受到排砂底孔直徑與入流管直徑大小的影響較為顯著，而受到深寬比大小之影響則較小，於高桶式旋流漏斗排砂器內部安裝水平懸板有助於提升排砂器內之流場穩定性。此外，本研究改變不同試驗模型配置(入流管直徑大小、排砂底孔直徑大小、深寬比大小與懸板數量及配置)與試驗入流條件(下層入流量變化、泥砂材料變化與入流含砂濃度變化)，探討高桶式旋流漏斗排砂器排砂效果之差異。本研究試驗結果顯示於較佳配置(Di = 3.0 cm、Du = 0.5 cm、Ho/D = 1.46、三懸板(上-中-下)配置)的高桶式旋流漏斗排砂器，而排砂器內部渦流強度(Tr)小於8.0×10-5與表層出流量(Qo)小於150×10-6 cms情況下，其能有效排除粒徑大於約0.035 mm之泥砂顆粒，但於泥砂顆粒粒徑小於0.015 mm時，高桶式旋流漏斗排砂器之排砂能力將大幅的降低。
此外，本研究使用三維數值模擬軟體(FLOW-3D)模擬高桶式旋流漏斗排砂器內之流場特性。數值模擬分析結果顯示，下層入流量變化對於排砂器內之切向、徑向與軸向流速之影響最為顯著；入流管與排砂底孔直徑大小會影響高桶式旋流漏斗排砂器內部之切向流速與徑向流速分布；排砂器深寬比的增加與排砂器內水平懸板的設置，則皆能有效穩定高桶式旋流漏斗排砂器內部之流況，降低泥砂顆粒由表層出流口流出，並提升高桶式旋流漏斗排砂器之排砂能力。

This study carried out experiments and numerical simulations to investigate sediment removal efficiency and flow characteristics in a deep-depth vortex chamber type sediment extractor. The muddy water flows into the vortex chamber through tangential inlet pipe, moving as a vortex flow inside the chamber. The water and sediments could be separated by the gravity and centrifugal force. Hence, the sediment-laden mixture flows though the bottom orifice flow with higher sediment concentration, and the mixture flows through the upper outlet with a lower sediment concentration. The vortex chamber has a total height of 130 cm with diameter of 48 cm. The deep-depth vortex chamber type sediment extractor are composed of inlet pipe, hopper chamber, cylinder chamber, upper outlet, bottom orifice and horizontal deflector.
The experimental results reveal that the diameter of inlet pipe and bottom orifice have more significant influence on the stability of vortex flow field than aspect ratio. According to the results of experiment, the deep-depth vortex chamber type sediment extractor can efficiently remove the sediment particle size larger than 0.035 mm from sediment-water mixtures. When the sediment particle size less than 0.015 mm, the sediment removal efficiency significantly decreases with the decrease in sediment particle size. In addition, the simulated results also reveal that the diameter of inlet pipe and bottom orifice affect significantly tangential velocity and radial velocity, respectively. Increase of horizontal deflector numbers and aspect ratio are helpful to improve the stability of vortex flow field in the chamber. Which can reduce the sediment particle size in overflow from the upper outlet increase the sediment removal efficiency.

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