3-1 氣動力實驗規劃
3-1.1 流場規劃
本所於94 年度於台南風洞實驗室已開發出包括都會地形、市郊地形及鄉 村平原地形等三百分之一縮尺實用的大氣邊界層系列流場，本研究利用本所 風洞實驗室現有大氣邊界層流場，選取合適的流場條件，進行建築物氣動力 模型實驗研究。實驗量測進行時則利用熱線探針(Hot wire probe)架設於模形 屋頂高度側邊，配合DANTEC 9090N10101 流速儀監控風速。
內政部建築研究所風洞設施為一封閉式的循環風洞，具有兩種測試截面 (第一測試區 4 m × 2.6 m、第二測試區 6 m × 2.6 m)，本研究之模型試驗於第 一測試區中進行，試驗段長36.5 m， 風洞可提供最大風速為 30 m/s。
考慮國內低層建築物如工廠廠房等，多座落於市郊地形或鄉村地形，
本研究採用的風場為接近郊區的地況條件，流場條件如下表所示：
表3-1.實驗用流場條件 邊界層厚度δ(cm) 138.82 層緣風速 Uδ (m/s) 14.21
冪數率 α 0.21 剪力速度 u*(m/s) 0.64 粗糙長度 Z0 (cm) 6.01×10-02 地表阻力係數 Cd 2.0×10-03
風洞中邊界層流場之模擬方式為在試驗段上游區域擺設錐形渦流產生器 ( spire )以及地表粗糙元素( roughness element )，以產生近似鄉村地形之大氣 邊界層來流，擺設如圖3-1 所示。所產生平均流速剖面指數律分佈之 α 值為 0.22，而在距地 10 cm 處之紊流強度( turbulence intensity )約為 18%。流場之 平均風速剖面如圖 3-1 所示，紊流強度如圖 3-2 所示。由流場紊流強度分布 情形判斷，本研究所使用的模型屋頂高度處紊流強度亦與TTU 實場觀測值甚 為接近，因此本研究採用此流場進行一系列氣動力實驗。
Wind Speed (m/s)
Height(cm)
0 5 10 15 20
0 50 100 150 200 250
圖3-1.流場平均風速剖面
Turbulence Intensity (%)
Height(cm)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 50 100 150 200 250
圖3-2.流場紊流強度剖面
圖3-3 地況擺設
3-1.2 模型設計
本計畫研究重點為單棟摺版式斜屋頂廠棚類建築物(如圖 3-4 所示)。本 實驗首先製作 TTU 實場量測模型屋之 1/50 縮尺建築物模型作為驗證實驗 量測的參考，風壓孔開孔與編號方式亦比照TTU 模型配置。
圖3-4.低矮建築物模型示意圖與風攻角定義
模型均採用壓克力版粘合而成，模型表面全部均勻佈設壓力量測孔，
模型表面風壓孔以內徑1mm 之 PVC 軟管將風壓訊號導入電子式壓力掃瞄 器，並將資料儲存於個人電腦以供分析。TTU 模型詳細尺寸如圖 3-5 所示，
實際成品及風洞實驗狀況分別如圖3-6 及圖 3-7 所示。
圖3-5.低矮建築物模型尺寸（單位：公分）， 1/50 縮尺 TTU 模型
圖3-6. TTU 實場量測模型屋之 1/50 縮尺建築物模型
圖3-7. 屋面坡度 1:4 之建築物模型與邊界層流場
本研究採用之低層建物模型規劃有四種屋頂斜度，各種屋頂斜度模型變 化五種深度，模型側牆高度均為 10cm，模型寬皆為 20 cm，各組模型細部尺 寸及編號如下表所示，共20 組模型(如圖 3-8~圖 3-12)。為量測模型受風壓載 重，模型表面皆佈滿壓力量測孔，依模型表面積大小不同，量測孔數由 168~236 孔不等。壓力量測管線系統內徑 1mm、長 20 公分 PVC 管，實驗前 經具白噪音(white noise)特性之擾動壓力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可達 35Hz 以上。管線系統連接至 scanivalve module 上的壓力輸入埠，電子式壓力 掃瞄器以64 個量測孔為一模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以
圖3-8 四種屋頂斜度模型圖 (深度為 10 cm，深高比 1)
圖3-9 四種屋頂斜度模型圖 (深度為 20 cm，深高比 2)
圖3-10 四種屋頂斜度模型圖 (深度為 30 cm，深高比 3)
圖3-11 四種屋頂斜度模型圖 (深度為 40 cm，深高比 4)
圖3-12 四種屋頂斜度模型圖 (深度為 60 cm，深高比 6)
壓力管線連接完畢後，將各壓力量測模組上之訊號線連接至訊號處理系 統，整理壓力管線及量測模組，試驗段中典型的模型架設方式如圖3-13 所示。
圖3-13 典型模型設置圖 (模型編號 A20)
3-1.3 模型氣動力實驗量測
氣動力模型在四週側牆與屋頂面均布風壓孔，風壓孔以細PVC 管線製
作之壓力傳感管線系統與量測儀器相接，風壓量測採用電子式壓力掃描 器，本所台南風洞實驗室電子式壓力掃瞄系統可提供最多達256 個壓力量 測頻道。氣動力模型實驗量測時，利用旋轉模型底座的方式，表現改變風 攻角的效果，以探討各種不同風攻角下的氣動力特性。風攻角由零度開始，
風攻角每次變化11.25 度，自 0 度變化至 90 度(TTU 模型實驗攻角變化範 圍由零度至180 度)。實驗控制的條件包括流場特性及風攻角。實驗在距模 型側方、屋頂高度處設置熱線探針量測平均風速，並以此風速作為參考風 速( U )。
為量測風洞內流場現象及模型表面壓力之變化，本實驗所使用之量測設 備說明如下：
一、皮托管
本實驗中採用皮托管進行來流平均風速之量測，由皮托管所量測到的壓 力差值，利用伯努利方程式(Bernoulli equation)，即依據後式計算出相應之風 速。
air
U p ρ
= 2 Δ
(3.1)
其中，Δ 為壓力差，p
ρ
air為空氣密度。二、壓力轉換器
本研究搭配平均流速量測之皮托管採用的壓力轉換器(圖 3-14)為薄膜式 壓力轉換器(very-low pressure transducer，VALIDYNE DP103-18)，具有堅固 之金屬外殼，其內部包有一壓電膜片。當受到外部壓力時會導致金屬薄片變 形，致使產生電壓變化，再經由訊號放大器(圖 3-15)讀出電壓值。壓力轉換 器若與皮托管(pitot tube)連接，經率定後可用以量測流場平均速度。
薄膜式壓力轉換器率定應配合壓力轉換器內部的壓電膜片的受壓範圍，
依照其膜片可承受範圍，利用壓力校正器(DPI 610，圖 3-16)連接兩條短油管 傳輸壓力給薄膜式轉換器之動壓與靜壓。壓力由小至大，直到可承受之最大 壓力，透過資料擷取系統(率定時取樣頻率為 250Hz，取樣時間為 70 秒)將所 測之電壓值轉換存檔後，其迴歸率定曲線呈線性型態。
圖3-14：壓力轉換器
圖3-15 訊號放大器
圖3-16 壓力校正器
三、熱線流速儀
紊流風場量測上，本實驗使用DANTEC 之風速儀(如圖 3-17)，配合熱膜 探針的使用(如圖 3-18)。熱線探針的率定配合已完成率定的薄膜式壓力轉換 器，在風洞入口處地面架上皮托管(平行中心線)，將其動靜壓接於薄膜式壓 力轉換器上，皮托管孔口距離地面 40cm 高，而熱線探針利用移動機構架於 與皮托管孔口等高、平行、盡量接近的位置，最後利用熱線探針所得的電壓 值與薄膜式壓力轉換器轉換後的風速得出一條四次方多項式的迴歸曲線。
圖3-17 熱線測速儀
圖3-18 熱線探針
四、電子式壓力掃描器
表面風壓量測使用之壓力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖 3-19)，該系統每個 單一模組有64 個壓力輸入管( pneumatic inputs )，對應 64 個壓電式壓力感應 器，每一壓力感應器皆可單獨校正。輸入管藉由內徑1mm PVC 管連接至模 型量測點以量測壓力。
而各模組接連接至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖 3-20)，此系 統可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度達 16bits，最大 採樣頻率為500Hz，傳輸介面為 USB，具備網路控制及傳輸功能。擷取之資 料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦儲存分析。
圖3-19 電子式壓力掃描器
圖3-20 壓力訊號處理系統
模型表面風壓量測進行時，先將模型架設完成，隨後啟動風機，待試驗 區風速達到設定風速(約 14.5 m/s)後開始擷取壓力資料，取樣頻率為 250 Hz，
時間為264 秒。由於模型基本上為矩形立方面體，各面之所受風壓會隨著風 攻角(angle of attack)變化而產生改變，因此模型角度定義以正對來流為 0∘(如 圖 3-21)，每隔 11.25∘順時針轉至 90∘(因模型之幾何形狀對稱)。壓力量測 部分取風洞側牆模型高處之靜壓為參考壓力。
資料量測部分由個人電腦透過 USB 介面控制資料量測系統擷取各模 組之量測資料，並將資料轉換為電子檔儲存，本研究使用之電子式壓力掃 瞄器具被歸零功能，因此每次實驗操作前皆先將各模組之壓力感測器歸 零，以得正確之壓力變化。
20cm U
0x 4 m y α
D
圖3-21 模型示意圖 (A20)
3-2 實驗資料與擷取數據分析
3-2.1 資料擷取系統
實驗所量得之類比訊號係經由IOTECH ADC-488/8SA (圖 3-22)擷取後作 類比數位(analog-digital)轉換。本系統共有 8 組輸入端，最高採樣頻率為 100 kHz，具有 16-bit 之解析度，精確度(accuracy)高達 0.02%。數位化的訊號以
大於200 kb/s 的速度經由 IEEE-488 界面傳至電腦，進行資料儲存與統計運算。
圖3-22 資料擷取系統 3-2.1 資料分析
低層建築物氣動力實驗量測資料主要為模型之表面風壓資料，量測範 圍包括屋頂面及四周側邊牆面，分析工作包括了解各風壓孔的平均及擾動 性風壓係數，並計算其偏態及峰態係數，了解其機率密度函數分布特性。
進一步分析包括風壓尖峰因子的推估，以探討可能出現的局部極端風壓。
並利用正交模態分析(POD)法探討風壓分布的基本模態。為了解由各點風 壓對結構物可能產生的最大風載重，可利用相關性積分法及結構物內力反 應，推估可能出現的最大等值靜載重。以下依序說明各分析工作的內容。
研究中量測各壓力孔之風壓訊號，用以計算風壓係數，氣動力係數定 義如下所示：
平均風壓係數 2
2
1 U
CP P
=
ρ
(3.2)擾動性風壓係數 2
2 1
2
U CP P
ρ
= ′
′
(3.3) 平均彎矩係數 2 2
2
1 U B
CM M
=
ρ
(3.4)有關風壓的時序列資料同時亦分析其偏態與峰態係數，定義如下所示： 態分佈（normal distribution）相比是否更高或更平坦，Ck值如小於3 表示 其分佈屬於低擴峰(platy kurtosis)型態，如 Ck值大於3 表示其分佈屬於高狹 峰(lepto kurtosis)型態。
有關局部尖峰風壓分布的研究，Cook & Mayne (1979)指出再研究建築 物 表 面 尖 峰 風 壓 方 面 ， 利 用 第 一 型 極 值 分 布(Type I extreme value distribution)研究尖峰風壓是十分合適的。並建議將相當實場 15 分鐘之模型 表面壓力極值，至少取16 段，利用樣本之 mode (U0)與 dispersion (1/a0)， 張量(correlation tensor)，定義作：
)
其中x’表空間間距，
τ
代表時間稽延，如將Rij分解成特徵值與特徵向量 細節被忽略而影響精確度，Bienkiewicz(1995)應用正交模態分析法(POD)於低 矮矩形體模型表面風壓的重現，研究結果指出，表面風壓的重建只需前 2%的模態，而尖峰風壓的推估亦僅需前 30%的模態。Kikuchi(1997)應用正交模 態分析法(POD)分析高層建築表面風壓，並利用前 5 個模態進行結構反應分 析獲致良好成果，將誤差控制在6%以下。顯示利用 P 正交模態分析法(POD) 可以更經濟有效的將具有十分強烈擾動特性的表面風壓解算出其各項特徵。
的模態，而尖峰風壓的推估亦僅需前 30%的模態。Kikuchi(1997)應用正交模 態分析法(POD)分析高層建築表面風壓，並利用前 5 個模態進行結構反應分 析獲致良好成果，將誤差控制在6%以下。顯示利用 P 正交模態分析法(POD) 可以更經濟有效的將具有十分強烈擾動特性的表面風壓解算出其各項特徵。