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CFD ( Computational Fluid Dynamics ),是一門利用 電腦,求解流體流動的各種守恆控制偏微分方程式的技術,由於能夠針對真實物理模型無法量測的數據進行流體現象的描述,因此成為目前在求解流體運動中,最具成本效益的方式之一。

圖一、 Spillway 溢流道

1980 年, FLOW Science 公司於美國新墨西哥州 Alamos 成立,其宗旨是以開發出一套最佳的 CFD (計算流體動力學)軟體為己任。 1985 年, FLOW-3D® 商業版正式釋出。其特有的 VOF 計算技術,能夠提供極為真實且詳盡的自然液面( Free surface )流場資訊,在產品開發上可作為非常重要且可靠的參考依據。由於其精確而穩定的特性,在 20 多年來已受到如美國火箭實驗室、海軍、英國水利署、利物普大學、通用汽車及 HP…. 等等許多重要研究單位與國際大廠的肯定。國內亦獲得了中興工程顧問股份有限公司、中華顧問工程司、鑽全實業、中國精密壓鑄、工研院、金屬工業研究發展中心、台灣大學、交通大學、成功大學、海洋大學與、中原大學、台北科技大學、虎尾科技大學、雲林科技大學、義守大學等諸多知名熱流研究單位的採用。
早於 80 年代末期 FLOW-3D® 基礎程式完備後, FLOW Science 公司即開始積極尋求切入商用市場的方式。而水利工程所需計算之複雜流場,讓 FLOW-3D® 能夠大顯身手。儘管 90 年代之後亦有多種類似的軟體興起,但 FLOW-3D® 仍以其高度準確性奠定了同業間無可替代的地位。
在 CFD 軟體中, FLOW-3D® 有其無可取代的地位,原因在於其 FAVOR™ 的網格計算方式,以及 TrueVOF ® 流體自由液面的功能。以下將針對這兩部分,進行詳細的說明。
FDM ( Finite Difference Method ),是一種利用固定( Eulerian )方形格點控制元素的方法,進行的計算方式。但是其最大缺點,在於其建立的網格屬於方形,對於複雜造型的物件,往往在邊界位置無法精確描述,如圖二。

圖二、複雜造型的物件(圓形邊界無法以方形格點詳細描述)

FLOW-3D® 有自成一格的網格定義方式,稱為自由網格法( Fractional Area/Volume Obstacle Representation, FAVOR TM ),運用控制體積( Control Volume )的觀念,使網格與幾何形狀完全獨立。這種方法比可變形網格( Deformation Mesh )的方法還要簡單,避開了冗長的整理網格與幾何形狀的工作,使結構體保有簡單規則的網格。即使模型非常複雜,也能夠精確的描述外型,如圖三。

圖三、水力發電廠模型

FLOW-3D® 的另外一個重大特色,就是體積分率法( Fractional Volume of Fluid Method, VOF )。 VOF 是 FLOW Science 創始人 Dr. C. W. "Tony" Hirt 所發表,用來計算流體自由液面( Free Surface )的複雜流動方式。目前大部分的 CFD 軟體,在自由液面運動的計算,都是根據此一方法進行開發。作為 VOF 的創始者,FLOW-3D® 在自由液面的模擬更加完整,稱為 TrueVOF ® ,在自由液面的模擬無人可出其右。

圖四、真實自由液面 + 移動物件( GMO )模擬

除了上述的兩大主要特色,為了在計算上能夠縮短時間, FLOW-3D® 提出特有的多重網格( Multi-Block Mesh )建立方式,可以大幅縮短計算所需時間。

傳統網格建立方法           多重網格建立方法
圖五、巢狀網格設定( Nested Mesh Block )


傳統網格建立方法               多重網格建立方法
圖六、連接式網格設定( Connected Mesh Block )

利用多重網格設定功能,以往複雜的水文地理模擬,可以轉到個人 PC 上進行模擬,不但大幅減少模擬所需要耗費的時間,對於複雜的模型,還能夠以更有效率的方式建立網格。

圖七、利用多重網格建立 水力發電廠 模型

2002 年, FLOW-3D® 完成全新的微粒設定條件,可用於模擬流體中真實微粒流動的情況,在水利工程上的應用大幅增加。由於增加了微粒設定更能, FLOW-3D® 可以進行砂石的沈積狀況模擬,甚至是攔砂壩的土石崩落狀況。

圖八、砂石在水流中的沈積狀況模擬

2004 年底, FLOW-3D® 在最新的 V9 版,提出了空氣混合流體模型。 FLOW-3D® 可以針對混合氣體的流體,進行流動模擬。在水文模擬上,更符合真實狀況的要求。

圖九、 Air Entrainment Model

根據整理, FLOW-3D® 可進行的水利工程模擬,可分為下列幾類:
1•  水躍( Hydralic Jump )
2•  下射水閘( Sluice gate )
3•  堰( Weir )
4•  接板( Fish ladders )
5•  巴氏量水槽( Parashall Flumes )
6•  淨水井( ClearWells )
7•  河流及河口潮流( River & Tidal Estuary FLOW )
8•  沖蝕控制( Scour Effects )
9•  沈澱池( Settlement Ponds )
10•  淺水( Shoaling Water )
以下將以多個不同案例,說明 FLOW-3D® 在水利工程上的應用。
案例一、增加渦輪的效能

圖十、在 Kelsey Generating Station 觀察到的渦流( eddies )現象

加拿大 Manitoba 省的公司 Manitoba Hydro ,在 1957 年於 Nelson River 以 五千萬美金興建了 Kelsey Generating Station ,於 1961 年完工。目前發電量為 211 MW ,未來將擴增至 464 MW 。上圖為發電廠第七號機組( Unit 7 )發現的渦流現象,對於發電廠而言,這是多餘的能量耗損。
Manitoba Hydro 利用 FLOW-3D® ,準確的預測了渦流的形成原因,讓工程師能夠工程修改的方向,進而提升發電機渦輪的效能。

圖十一、 FLOW-3D® 預測之渦流現象


圖十二、污水處理廠

污水處理是城市現代化過程中,必須設定的規範。然而,一個有效率的污水處理廠,不但能夠提升處理污水的效率,還能夠延長處理廠壽命。以下將以 FLOW-3D® ,進行污水處理廠的各項設備設計說明。

圖十三、沈澱池設計

上圖是利用 FLOW-3D® 為 Washington DC Water & Sewer Authority (美國最大的污水處理廠)完成的沈澱池設計。沈澱池的主要功能,在於分離水及污泥。當水從上圖左上方流入時,沈澱池的設計必須讓水流能夠在經過中間的壕溝( Hopper )後,還能夠平均的填滿右下方的沈澱區。整個沈澱池的尺寸長 255 呎,寬 81 呎,每個沈澱區的深度為 1 呎。
合流污水溢流( Combined Sewer OverFLOWs , CSOs )設計主要是應用於合流污水系統( Combined Sewer System )。當污水匯集至集水管時,必須防止污水逆流至住戶家中。下圖為布拉格( Prague )的合流污水系統,利用 FLOW-3D® 確認其 CSOs 能夠確實的發揮作用。

圖十四、合流污水溢流設計


圖十五、清淨池設計

清淨池的水路設計,會決定水流在池中的殺菌時間。利用FLOW-3D® 進行水路設計,模擬其通過之最短時間,就能夠進行最佳化設計。
案例三、海岸邊的波浪模擬
在港口設計中,堤防的位置與長度,將決定船隻停放的位置,以及波浪的大小。利用 FLOW-3D® ,可進行海浪通過堤防時,其波形的變化以及大小影響。

圖十六、港口堤防設計

隨著新科技的應用,水利工程的新典範亦在逐漸醞釀形成。配合 CFD 軟體,在工程進行前進行水力模擬,找出最佳的工程設計方案,降低製造成本,還可以提升水利工程品質。 FLOW-3D® 在水利工程上的完美應用,對於希望提昇技術的廠商來說,會是最佳的得力助手!

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