第五章 結果討論
第三節 三維樹木數值試驗
為 了 後 續 進 行 之 風 洞 試 驗 探 討 不 同 寬 高 比 (B/H)， 本 研 究 預 先 進 行 三 維 數 值 試 驗。試 驗 以 高 度 H 為 特 徵 長 度，厚 度 比 D/H＝ 1，改 變 樹 木 之 寬 高 比 B/D＝ 1、 2、 4、 6， 來 流 為 均 勻 流 ， 藉 此 檢 視 樹 寬 對 流 場 二 維 特 性 ， 流 場 雷 諾 數 採 用 107， 模 擬 示 意 圖 如 圖 5-12所 示 。
為 探 討 三 維 樹 木 流 場 特 性，本 研 究 將 數 值 結 果 之 合 成 平 均 風 速 等 值 圖 ， 其 中 合 成 平 均 風 速 (
UVW
)定 義 為 ：2 2
2 V W
U
UVW
(5-1)將 平 均 風 速 結 果 以 水 平 (x-y)及 垂 直 (x-z)平 面 進 行 討 論，於 水 平 平 面 觀 察 4 個 高 度 分 別 為 z/H=0.25、0.5、0.75、1，垂 直 平 面 觀 察 y/H＝ 0(中 心 線 )以 及 樹 叢 邊 緣 (y/H=0.5B/H)，針 對 其 樹 木 中 心 平 面 變 化 以 及 樹 木 減 風 保 護 區 域 大 小 進 行 討 論 。
此 外，在 緊 鄰 樹 木 下 游 位 置 (x/H=1)，檢 視 不 同 寬 高 比 之 樹 木 中 心 線 (y=0)及 側 邊 (y=0.5B)風 速 特 性 剖 面，包 含 順、橫、垂 直 向 平 均 風 速 剖 面 、 順 風 向 紊 流 強 度 以 及 3 個 雷 諾 剪 應 力 (
u ' v ' / U
o2
、u ' w ' / U
o2
、/ 2
' ' w U
ov
)， 藉 此 檢 視 本 三 維 樹 木 模 式 在 樹 木 中 心 線 及 側 邊 的 風 場 受 到 有 限 寬 度 樹 木 之 影 響 程 度 ， 並 探 討 寬 高 比 變 化 對 流 場 運 動 之 控 制 關 鍵 。壹 、 水 平 面 流 場 特 性
綜 觀 不 同 高 度 之 水 平 流 場 結 果 可 以 發 現 (圖 5-13至 圖 5-16、 圖 5-19圖 5-22、 圖 5-25至 圖 5-28、 圖 5-31至 圖 5-34)， 當 風 場 自 來 流 最 大 風 速 (U0=1)吹 襲 到 樹 林 區 域 前 (x/H<0)時，其 風 速 逐 漸 遞 減。在 樹 叢 下 緣 樹 冠 高 度 處 開 始 形 成 一 低 速 保 護 區，此 保 護 區 隨 著 寬 高 比 增 加 而 增 大 ， 且 距 離 越 遠 。 此 外 ， 風 速 最 低 值 發 生 在 高 度 0.75 位 置 ， 與 CD值 設 定 之 最 大 值 位 置 相 同 。
貳 、 垂 直 面 流 場 特 性
由 垂 直 平 面 流 場 結 果 (圖 5-17、 圖 5-18、 圖 5-23、 圖 5-24、 圖 5-29、圖 5-30、圖 5-35、圖 5-36)可 以 發 現，寬 高 比 為 2、4、6 的 中 心 平 面 (y/H=0)於 樹 木 下 游 樹 冠 處 會 產 生 一 個 渦 流 ， 寬 度 約 為 2.5D。
再 往 下 游 走，在 x/D=3 的 近 地 表 位 置，會 產 生 另 一 個 低 速 區，其 寬 度 約 為 1D。另 檢 視 寬 高 比 為 1 的 結 果，雖 然 在 樹 木 下 游 樹 冠 處 同 樣 會 產 生 一 個 渦 流，但 第 二 個 地 表 低 速 區 並 未 發 生，流 場 之 二 維 特 性 在 B/H=1 時 並 不 存 在 ， 可 見 受 到 樹 叢 二 側 風 場 影 響 甚 巨 。
參 、 下 游 平 均 風 速 剖 面 比 較 (1) 中 心 線
由 順 風 向 風 速 剖 面 結 果 (圖 5-37(a))可 以 得 知 ， 在 樹 幹 部 區 域 風 場 有 一 加 速 現 象 ， 在 高 度 大 於 0.2 之 後 ， 風 速 隨 著 高 度 增 加 而 遞 減 。 在 接 近 樹 冠 位 置 (z/H=0.8)， 風 速 再 隨 著 高 度 劇 增 ， 直 至 遠 離 樹 冠 處 (z/H>1.2)風 速 不 再 隨 著 高 度 增 加 而 有 明 顯 變 化。隨 著 寬 高 比 增 大 至 4 之 後 ， 風 速 剖 面 特 性 越 趨 一 致 。
在 橫 風 向 風 速 部 分 (圖 5-37(b))， 由 於 本 研 究 4 案 例 之 樹 型 均 屬 於 對 稱 型 態 ， 因 此 在 中 心 線 之 橫 風 向 風 速 為 近 似 於 0， 合 乎 流 場 對 稱 之 特 性 。
另 檢 視 垂 直 向 風 速 剖 面 (圖 5-37(c))發 現 ， 地 表 垂 直 向 風 速 為 接 近 0 的 狀 況 ， 並 隨 著 高 度 增 加 至 樹 冠 附 近 (z/H=1)， 風 速 隨 著 高 度 增 加 漸 增 後 回 縮。並 隨 著 寬 高 比 增 加，樹 冠 處 風 速 增 加 越 大，且 寬 高 比 大 於 4 之 後 變 化 也 不 明 顯 。
(2) 側 邊
由 圖 5-38結 果 可 知，側 邊 的 順 風 向 流 場 並 不 會 隨 著 寬 高 比 增 加 而 有 明 顯 變 化 。 而 寬 高 比 1 的 橫 風 向 流 場 由 於 受 到 另 一 側 邊 的 風 場 影 響，其 速 度 小 於 其 他 3 組 寬 高 比 結 果。另 在 樹 幹 及 樹 冠 位 置，受 到 擠 壓 加 速 的 因 素 而 有 局 部 極 值 發 生 。 而 由 於 本 位 置 樹 木 站 空 間 區 域 較 小 ， 因 此 垂 直 向 風 速 位 有 顯 著 變 化 與 不 同 。
第五章 結果與討論
肆 、 下 游 紊 流 強 度 剖 面 比 較
檢 視 中 心 線 順 風 向 紊 流 強 度 剖 面 (圖 5-39(a))發 現 ， 在 樹 冠 部 以 下 區 域 (z/H<1)， 紊 流 強 度 分 布 較 無 規 律 。 而 到 樹 冠 部 以 上 時 ， 紊 流 強 度 隨 著 高 度 遞 增 至 高 度 1.2 左 右 (本 位 置 隨 寬 高 比 增 加 而 增 加 )時 有 極 值 發 生，其 值 依 寬 高 比 1、2、4、6 分 別 為 9%、18％、18％、18％ 。
而 在 側 邊 位 置 時 ， 樹 冠 區 域 之 紊 流 強 度 極 值 發 生 高 度 略 微 降 低 ， 但 極 值 大 小 與 中 心 線 結 果 相 近 。 有 關 樹 冠 以 下 紊 流 強 度 規 律 性 問 題 ， 應 可 採 用 較 長 時 間 平 均 之 結 果，或 往 下 游 取 多 1 個 格 點 位 置 之 結 果 來 看 ， 應 有 較 好 之 結 果 呈 現 。
伍 、 下 游 雷 諾 剪 應 力 剖 面 比 較 (1) 中 心 線
整 體 而 言 ， 由 於 流 場 對 稱 的 緣 故 ，
u ' v ' / U
o2
與v ' w ' / U
o2
剖 面 ( 圖 5-40(a)、 (c))結 果 均 為 趨 近 於 0 的 值 。 而 在u ' w ' / U
o2
部 分 ，樹 幹 部 區 域 受 到 地 表 剪 應 力 影 響 而 有 局 部 正 極 值 發 生。另 在 樹 冠 部 區 域，有 局 部 負 極 值 發 生，且 隨 著 寬 高 比 增 加 而 增 加，發 生 高 度 也 隨 之 提 昇。可 見 寬 高 比 越 大，樹 頂 的 動 量 交 換 越 大，但 在 寬 高 比 大 於 4 之 後，其 差異 並 不 明 顯 。(2) 側 邊
由 側 邊 雷 諾 剪 應 力 剖 面 可 知 (圖 5-41)，
u ' v ' / U
o2
結 果 (圖 5-41(a))呈 現 出 在 近 地 表 至 樹 冠 的 區 間 中 有 明 顯 的 橫 向 動 量 交 換，本 負 值 隨 寬 高 比 增 加 而 增 大。且 寬 高 比 影 響 在 大 於 2 之 後 即 不 顯 著，此 為 三 維 效 應 所 致 。側 邊
u ' w ' / U
o2
結 果 (圖 5-41(b))趨 勢 與 中 心 線 結 果 相 似 ， 在 底 部 與 樹 冠 附 近 均 有 極 值 發 生 ， 但 極 值 都 小 於 中 心 線 剖 面 結 果 。而
v ' w ' / U
o2
呈 現 y-z 平 面 動 量 交 換 特 性 ， 圖 5-41(c)顯 示 出 雖 然 在 本 平 面 的 底 部 與 樹 冠 位 置 有 部 分 動 量 交 換 ， 但 值 並 不 大 且 不 明 顯 。中心線 H
D
B
z
y
x U
ox=0
圖5-12 三維模擬個案示意圖
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-13 寬高比 1 平均風速等值圖(z/H=0.25)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第五章 結果與討論
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-14 寬高比 1 平均風速等值圖(z/H=0.5)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-15 寬高比 1 平均風速等值圖(z/H=0.75)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-16 寬高比 1 平均風速等值圖(z/H=1)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-17 寬高比 1 平均風速等值圖(y/H=0)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-18 寬高比 1 平均風速等值圖(y/H=0.5)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-19 寬高比 2 平均風速等值圖(z/H=0.25)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第五章 結果與討論
0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-20 寬高比 2 平均風速等值圖(z/H=0.5)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-21 寬高比 2 平均風速等值圖(z/H=0.75)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-22 寬高比 2 平均風速等值圖(z/H=1)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-23 寬高比 2 平均風速等值圖(y/H=0)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-24 寬高比 2 平均風速等值圖(y/H=1)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-25 寬高比 4 平均風速等值圖(z/H=0.25)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第五章 結果與討論
0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-26 寬高比 4 平均風速等值圖(z/H=0.5)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-27 寬高比 4 平均風速等值圖(z/H=0.75)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-28 寬高比 4 平均風速等值圖(z/H=1)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
Y
X
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-29 寬高比 4 平均風速等值圖(y/H=0)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-30 寬高比 4 平均風速等值圖(y/H=2)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-31 寬高比 6 平均風速等值圖(z/H=0.25)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第五章 結果與討論
0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-32 寬高比 6 平均風速等值圖(z/H=0.5)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-33 寬高比 6 平均風速等值圖(z/H=0.75)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理0
5
10
15
X 0
Y
Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-34 寬高比 6 平均風速等值圖(z/H=1)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-35 寬高比 6 平均風速等值圖(y/H=0)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理Y
X Z
UVWA: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
圖5-36 寬高比 6 平均風速等值圖(y/H=3)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第五章 結果與討論
(a)y=0 (b)y=0.5B
第五章 結果與討論
結論與建議