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S 型擴散流道設計用於重力鑄造

為了解決m3/s to m/s的問題，作者羅章元 這樣論述：

重力鑄造的流道設計，需要讓金屬液體進入模穴時之速度降低至所謂的底澆臨界速度以下，讓金屬液體能穩定的從模穴底部慢慢充填。如果金屬液體超過底澆臨界速度時，澆鑄液體與空氣接觸的表面所形成的氧化膜，會因此而捲入至金屬液的本體內，而造成鑄件的品質下降。本研究應用所謂彎曲擴散的流道設計，能在有限的模具空間內，設計所謂S型擴散流道，於豎澆道出口處與之連接。澆鑄過程中，液體受重力影響下，於此處時液體的動能達到最大而橫向截面為最小。因此，高速的液體進入此轉彎且橫向截面漸大的擴散流道形體(S型擴散流道)時，液體從垂直方向轉為水平方向的同時，將液體橫向分散開，促使金屬液體之橫向截面積增大。在質量守恆的情況下，而橫

向擴散的金屬液體因截面變大，流速因此而下降。應用計算流體動力模擬軟體，模擬鋁合金液體在不同尺寸的轉彎半徑下，液體經歷轉彎的同時，其橫向截面積擴大的過程，進行數值資料分析，分別針對三階段的轉彎形體的液體速度變化進行分析，以找出最佳的S型擴散流道，並且進行水類比實驗，以驗證電腦模擬的差異性。最佳S型擴散流道之三個階段，彎曲半徑分別為50、23、以及22 mm，以及每階段之出口與入口截面積比，分別為1.49、1.5及1.8 ，最終整體S型擴散流道之截面積比為4.05。由鋁液模擬結果可以預測此最佳S型擴散流道，能使高動能流體轉換成靜壓力，其壓力回覆係數為1.41。液體經過三階段的橫向截面的擴大，由原來

入口速度2.0 m/s (約壓力頭高度300mm的液體降落速度)鋁液速度降至0.42 ±0.01 m/s，低於臨界速度以下。如此能有助於避免鑄造過程捲入雙膜缺陷、氣泡等問題。再者，流出係數(Cd)為0.84，鋁液澆鑄流量為8.18±0.2 ×10^(-4) m3/s，如此可以維持一定的鑄造時間，以及避免冷接問題。本研究所提出的最佳S型擴散流道，以達到降低流體速度並且保持一定流量，所謂最佳流道方案設計的目的。

發展三軸加速度計及大尺度顆粒影像流速法提升河川表面流速及流量之量測

為了解決m3/s to m/s的問題，作者黃偉哲 這樣論述：

河川水位、流速及流量為河川管理重要之水文資料，而現行的河川流速及河川流量量測方式主要為侵入式，如量測河川流速的旋杯式流速儀與可同時量測河川流速及流量的聲波都卜勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profile, ADCP)。且量測人員需要進入河川中進行人工觀測，無法長時間連續觀測，於颱洪時期也因量測人員無法進入河川，僅能使用量測準確度較差的浮標法。因此非接觸性的大尺度顆粒影像流速法(Large-Scale Particle Image Velocimetry, LSPIV)被提出，並逐漸完善為可長時間自動化量測河川表面流速並推算流量。目前LSPIV主要需要克服的課

題之一為LSPIV架設的不便性。本研究針對此課題，提出使用三軸加速度計計算LSPIV共線式方程式的姿態參數，使LSPIV能達到快速設站量測，且提高量測河川表面流速及推算流量之穩定性。本文先說明研究方法，包含共線式方程式、空間交會模式、影像校正、影像匹配、LSPIV量測原理、指標流速法理論、三軸加速度計量測原理、自動調整量測區域大小及水位量測原理。並介紹研究地點-石門水庫上游集水區玉峰水位站及本研究使用MATLAB撰寫之LSPIV程式及硬體設備。本研究共進行8次現地實驗，每次實驗量測4-8小時，其中影像技術量測水位及LSPIV量測河川表面流速並推算流量，每10分鐘量測一次；實測水位亦為每10分鐘

量測一次；實測河川表面流速及流量則是每小時量測一次。實驗結果顯示影像量測水位及實測水位整體均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)為0.03 m，表現優異；LSPIV使用三軸加速度計計算之參數分析河川平均表面流速並推算流量之結果與實測河川平均表面流速及實測流量比較，RMSE分別為0.13 m/s及1.29 m3/s；相對均方根誤差(Relative RMSE)分別為15%及17.9%；LSPIV使用控制點計算之參數分析河川平均表面流速並推算流量之結果與實測河川平均表面流速及實測流量比較，RMSE分別為0.20 m/s及1.93 m3/s；Relative RMSE

分別為23%及26.7%。結果顯示LSPIV使用三軸加速度計計算之參數量測河川平均表面流速及推算流量比LSPIV使用控制點計算之參數量測河川平均表面流速及推算流量較佳。接著討論LSPIV中共線式方程式參數及三軸加速度計參數的敏感度分析，分析結果顯示共線式方程式中，參數傾角θ最為敏感，參數旋角τ敏感度次之；參數zc、uc、vc及d對LSPIV分析河川平均表面流速較為不敏感；參數方位角α、xc及yc對LSPIV量測河川平均表面流速完全沒影響。而在三軸加速度計參數Ax、Ay及Az敏感度低於共線式參數傾角θ及旋角τ，表示LSPIV使用三軸加速度值計算之參數量測河川平均表面流速時，可以獲得較佳且穩定的量

測結果。最後討論LSPIV於影像匹配中，搜尋視窗(Search Area, SA)大小、詢問視窗(Interrogation Area, IA)大小及影像解析度(Resolution)對LSPIV分析河川平均表面流速之影響。結果顯示，當SA增加、IA增加及減少與影像解析度減少時，LSPIV使用三軸加速度計計算之參數分析河川平均表面流速與實測河川平均表面流速比較之RMSE及Relative RMSE增加幅度比LSPIV使用控制點計算之參數分析河川平均表面流速與實測河川平均表面流速比較之RMSE及Relative RMSE增加幅度較小，表示LSPIV使用三軸加速度計計算之參數分析河川平均表面流速比

較穩定。綜合上述，使用三軸加速度計計算參數，除大幅簡化LSPIV前置作業，LSPIV使用三軸加速度計計算參數量測河川平均表面流速及推算流量也可以獲得比LSPIV使用控制點計算參數量測河川平均表面流速及推算流量較好的結果。