第四章 結構物風壓初步量測結果
第二節 圓柱風壓係數探討
本研究中，將兩次風洞試驗以有限高圓柱正負 90 度壓力係數(Pressure coefficient)比較與基部壓力係數(Base pressure coefficient)為研究重點，並且從中 探討於臨界區(Critical region)時，橫向與縱向壓力擾動造成非定常力比較。
首先，探討有限高圓柱於正負 90 度之壓力係數隨雷諾數升高之變化。其中，
有限高圓柱正負 90 度之示意圖，如圖 4-4 所示。透過量測有限高圓柱正負 90 度 之壓力擾動訊號，可以得到圓柱於橫向之非定常力擾動及其特性。並可應用於建 築物耐風設計。
圖 4-4 圓柱正負 90 度之壓力孔位置示意圖
（資料來源：本研究整理）
分別在有限高圓柱三個高層(上層、中間層與下層)中，將正負 90 度之壓力 係數隨雷諾數變化提出探討。可發現雷諾數約為 附近，兩邊壓力係數開 始產生明顯差異，並在 之後則又回復至相近。而此區間即為此有限高圓 柱流場之臨界區。並且在正負 90 度之壓力係數兩者相異甚大時，為圓柱表面單 邊發生層流分離後並再轉換成紊流並接觸圓柱表面，使圓柱產生單分離泡產生之 現象。隨後雷諾數在升高至 附近時則開始產生雙分離泡現象。其中，
位於上層、中間層與下層所量測到正負 90 度之壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-5、
圖 4-6 與圖 4-7 所示。
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1. 位於上層所量測到之正負 90 度之壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-5、圖 4-6 所示。
圖 4-5 圓柱上層正負 90 度之壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
圖 4-6 圓柱上層正負 90 度之壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
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2. 位於中間層所量測到之正負 90 度之壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-7、圖 4-8 所示。
圖 4-7 圓柱中間層正負 90 度之壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
圖 4-8 圓柱中間層正負 90 度之壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
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3. 位於下層所量測到之正負 90 度之壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-9 與圖 4-10 所示。
圖 4-9 圓柱下層正負 90 度之壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
圖 4-10 圓柱下層正負 90 度之壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
為 了 更 深 入 探 討 臨 界 區 中 單 分 離 泡 到 雙 分 離 泡 之 間 過 渡 期 ( 雷 諾 數 為 )壓力擾動現象，本研究團隊將探討在單一雷諾數下瞬時 擾動訊號的變化。在單分離泡區下之雷諾數為 時，圓柱正負 90 度之壓 力係數會呈現上下擺動，並且相互交叉趨勢，如圖 4-11、圖 4-12 所示。其中，
壓力係數跳動甚大，正 90 度之壓力係數有時在-2.3 附近，有時則在-1.2 附近。‐
90 度之壓力係數有時在‐3 附近，有時則在‐2 附近。因此可知，在臨界區時，壓 力瞬時擾動造成非定常力影響甚大，值得去探討。
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圖 4-11 圓柱上層正負 90 度之壓力係數(Re= )
（資料來源：本研究整理）
圖 4-12 圓柱中間層正負 90 度之壓力係數(Re= )
（資料來源：本研究整理）
但是若雷諾數再繼續往上提升至 ，達到雙分離泡區時，圓柱正負 90 度之壓力係數則將不會上下擺動之趨勢，但是壓力係數位於‐2.7 至‐2.1 之間，
如圖 4-13、圖 4-14 所示。因此，在特定速度下才能造成壓力擾動之非定常力。
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圖 4-13 圓柱上層正負 90 度之壓力係數(Re= )
（資料來源：本研究整理）
圖 4-14 圓柱中間層正負 90 度之壓力係數(Re= )
（資料來源：本研究整理）
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再者，探討有限高圓柱基部壓力係數隨雷諾數升高之變化。其中，基部壓力 係數為量測圓柱 180 度壓力孔之壓力訊號所測得之，如圖 4-15 所示。透過量測 圓柱基部壓力擾動訊號，可以得到圓柱於流場中阻力係數趨勢。由於此試驗模型 為有限高圓柱，因此在流場中，分別會受下洗流、上洗流影響，並與渦流溢放造 成影響。在整體基部壓力係數趨勢中，基部壓力係數由上層到下層依序升高。在 上層，基部壓力係數最小值為‐1。在中間層，基部壓力係數最小值為‐0.7。在下 層，基部壓力係數最小值為‐0.65。如圖 4-16、圖 4-17、圖 4-18、圖 4-19、圖 4-20、
與圖 4-21 所示。因此，上層、中間層與下層所量測之基部壓力係數可發現略為 不同，如圖 4-22、圖 4-23 所示。
圖 4-15 圓柱 0 度與 180 度壓力孔位置示意圖
（資料來源：本研究整理）
1. 位於上層所量測到之基部壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-16、圖 4-17 所示。
圖 4-16 圓柱上層之基部壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
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圖 4-17 圓柱上層之基部壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
2. 中間層所量測到之基部壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-18、圖 4-19 所示。
圖 4-18 圓柱中間層之基部壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
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圖 4-19 圓柱中間層之基部壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
3. 位於下層所量測到之基部壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-20、圖 4-21 所示。
圖 4-20 圓柱下層之基部壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
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圖 4-21 圓柱下層之基部壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
4. 將上層、中間層與下層統合，並做比較，如圖 4-16 所示。
圖 4-22 圓柱於上層、中間層與下層之基部壓力係數(第一次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
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圖 4-23 圓柱於上層、中間層與下層之基部壓力係數(第二次風洞試驗)
（資料來源：本研究整理）
可發現在約雷諾數為 附近，在上層、中間層與下層，基部壓力係數 皆開始產生明顯差異，並會皆為上升，其中又以上層上升最為明顯， 並在 之後則又開始急遽下降。隨後再 下降減緩至平穩。而此下降 區間即為此有限高圓柱流場之臨界區。
在單分離泡區，若將圓柱正負 90 度壓力係數相減並與基部壓力係數相比較，
可發現圓柱兩側壓力係數差之振幅可達基部壓力係數振幅兩倍至三倍。因此，在 強風下非定常作用力幅度可能是定常作用力的數倍之多，造成結構體破壞的主因。
如圖 4-24 與圖 4-25。
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圖 4-24 上層與中間層之 Cp_+90 與 Cp_-90 差值與 Cpb 之比較
（資料來源：本研究整理）
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圖 4-25 下層與中間層之 Cp_+90 與 Cp_-90 差值與 Cpb 之比較
（資料來源：本研究整理）
由內政部建築研究所”建築物耐風設計規範及解說”[18]中提及到圓柱斷面建 築物需考慮建築物因渦散共振引起的橫風向風力。而本研究中可發現，橫向非定 常作用力在進入臨界區時亦須加入探討。其瞬間所造成之側向力不容忽視。其中，
流場在圓柱體表面產生單分離泡狀態，並再生成雙分離泡狀態時，其正負 90 度 所產生壓力差，甚至高達 500(Pa)，如圖 4-26、圖 4-27 和圖 4-28 所示。
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圖 4-26 上層之 Cp_+90 與 Cp_-90 差值與 Cpb 之比較
（資料來源：本研究整理）
圖 4-27 中間層之 Cp_+90 與 Cp_-90 差值與 Cpb 之比較
（資料來源：本研究整理）
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圖 4-28 下層之 Cp_+90 與 Cp_-90 差值與 Cpb 之比較
（資料來源：本研究整理）
將兩次風洞試驗所量測到有限高圓柱位於三個高層之壓力孔的正負 90 度壓 力係數做比較，探討其風速從雷諾數為 附近上升至 附近，其 是否有相關性。並可發現風速為 至 之間，圓柱表面流場將會產 生所謂間歇性現象(Intermittency)。而在了解這特定風速區間所產生之非定常力將 有助於建築物耐風設計。
今年五月位於建研所風洞所第一次試驗整理結果如表 4-1、表 4-2、表 4-3 所 示。由下表可發現，圓柱模型之正負 90 度量測壓力係數，最高值位於特定風速 區，且在此區域中，單分離泡狀態與雙分離泡狀態互相轉換後，再轉換，壓力係 數皆可恢復至上一個狀態時之壓力係數。
46
One bubble 彼 此 之 間 並
One bubble
→
Two bubbles -0.8(偶而下降
One bubble 彼 此 之 間 並
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -0.8(偶而下降
One bubble 彼 此 之 間 並 無交錯現象
47
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
-0.8，T=0~100(s)
One bubble→
Two bubbles
-0.8(偶而下降至
One bubble 彼 此 之 間 並
One bubble 彼 此 之 間 並
One bubble→
Two bubbles
48
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
-0.8，T=0~40(s)
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
-2.5~-2.2 -1.3~-1.7 No Two bubbles
（資料來源：本研究整理）
49
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -1~-0.8
One bubble 彼此之間並 無交錯現象
50
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -1.1~-0.9，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -1.2~-0.8，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
51
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -2.7，T=0~18(s)
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
-1~-0.8，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
52
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
-2.7，T=0~20(s)
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
53
Two bubbles
→
One bubble -2.7，
Two bubbles
→
One bubble -1~-0.8，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -2.7，
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
54
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles -2.7，T=0~50(s)
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles ~
-2.7~-2.8 -2.1~-1.9 No Two bubbles
（資料來源：本研究整理）
55
One bubble 彼此之間並無
bubbles→ One bubble
One bubble 彼此之間並無 交錯現象
56
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -1.5~-1.2，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -1.6~-1.2，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -1.3，T=0~5(s)
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
57
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
-1.6~-1.2，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
58
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -2.3，T=0~20(s)
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
59
Two bubbles
→
One bubble -2.3，T=0~60(s)
Two bubbles
→
One bubble -1.4~-1.2，
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble -2.3，T=0~30(s)
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
60
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles -2.4，T=0~50(s)
Two bubbles
→
One bubble
→
Two bubbles ~
-2.4~-2.3 -2.25~-2.1 No Two bubbles
（資料來源：本研究整理）
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第三節 方柱風壓係數探討(
有限高方柱之壓力孔位置與有限高圓柱一樣，在各面皆有三個高層的壓力孔。
三個高層，分別為：上層、中間層與下層。本研究中，當方柱與來流風向角為零 時，即方柱之零度面為面相來流，如圖 4-17。會以方柱正負 90 度壓力係數比較 與基部壓力係數為研究重點，並且從中探討於臨界區時，橫向與縱向壓力擾動造 成非定常力比較。但是當風向角(
)
不為零時，將會以面向來流的壓力孔與背對 壓力孔之壓力訊號做比較。圖 4-29 方柱與來流之風向角為零之示意圖
（資料來源：本研究整理）
首先，當風向角為零時，探討正負 90 度壓力係數比較與基部壓力係數變化。
從中橫向與縱向壓力擾動造成非定常力比較。
1. 方柱於上層正負 90 度壓力孔所量測之壓力係數隨雷諾數變化，如圖 4-18 所 示。
圖 4-30 方柱於上層正負 90 度壓力孔所量測之壓力係數
（資料來源：本研究整理）
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2. 方柱於中間層正負 90 度壓力孔所量測之壓力係數，如圖 4-19 所示。
圖 4-31 方柱於中間層正負 90 度壓力孔所量測之壓力係數
（資料來源：本研究整理）
為了更深入探討壓力瞬時擾動現象，本研究團隊將探討在單一雷諾數下瞬時 擾動訊號的變化。當雷諾數升高至 時，可發現正負 90 度壓力孔所量測
為了更深入探討壓力瞬時擾動現象，本研究團隊將探討在單一雷諾數下瞬時 擾動訊號的變化。當雷諾數升高至 時，可發現正負 90 度壓力孔所量測