第四章 研究方法
第一節 實驗與量測設備
建 研 所 風 洞 實 驗 室 本 體 為 一 垂 直 向 的 封 閉 迴 路 系 統(如圖 4-2)，總 長 度 為 77.9m，最大寬度為 9.12m，最大高度為 15.9m。具有第一與第 二 兩 個 測 試 區 ， 其 斷 面 分 別 為 4 m × 2.6 m 與 6 m × 2.6 m。風扇型 式 為 直 接 傳 動 軸 流 式 風 扇 ， 直 徑 4.75m ， 驅 動 馬 達 的 最 大 馬 力 為 500kW，最高轉速為 390rpm。正常運轉風速範圍為 2 m/s 至 35 m/s，
最 高 風 速 為 39 m/s。第一測試段測試區空風洞紊流強度 0.17%至 2%。
另 顧 慮 到 未 來 如 進 行 污 染 擴 散 試 驗 或 煙 霧 視 流 試 驗 可 能 對 風 洞 本 體 及 工 作 氣 體 造 成 污 染 ， 原 封 閉 迴 路 風 洞 可 切 換 為 開 放 式 風 洞 。
壹 、 風 速 量 測
本 實 驗 風 速 剖 面 量 測 係 以 裂 膜 探 針(Spilt Film)配 合 恆 溫 流 速 儀 (Constant Temperature Anemometer; DANTEC 9090N10101)進行量測 (如圖 4-4)。而參考風速則採用直式皮托管(如圖 4-5)配合薄膜式壓力 計(VALIDYNE Differential Pressure Transducer；DP103)量測，所使用 之 量 測 設 備 介 紹 如 下 ：
第四章 研究方法
在 風 速 剖 面 的 風 場 量 測 上 ， 來 流 風 速 剖 面 量 測 採 用 Dantec 公司 生 產 之 熱 線(hot-wire)測速儀進行。所謂熱線測速儀是利用電流通過金 屬 導 線 時 會 使 導 線 溫 度 升 高，而 當 流 體 流 經 金 屬 表 面 時 會 帶 走 部 分 熱 量 之 原 理 來 量 測 流 體 之 速 度。當 探 針(probe)所在位置之電阻 R 值因溫 度 之 改 變 而 改 變 時，使 得 電 橋 失 去 平 衡。本 實 驗 室 所 有 之 恆 溫 式 流 速 儀，利 用 補 償 電 路(compensating circuit)，因應流速之變動，對流經探 測 元 之 電 流 做 瞬 間 之 改 變 來 維 持 探 測 元 之 操 作 溫 度 固 定 不 變(因 而 探 測 元 之 電 阻 亦 不 變)， 使 電 橋 保 持 平 衡 狀 態 。 如 此 即 可 經 由 回 饋 電 壓 的 變 化 來 得 知 所 要 量 測 流 場 中 流 速 之 變 化，有 關 熱 線 測 速 儀 量 測 原 理
如 圖 4-3所示。實驗中，將測速儀裝設於可垂直與橫向移動的移動機
構 ， 測 針 擺 設 位 置 均 以 電 腦 控 制 。
本 次 試 驗 採 用 之 裂 膜 探 針(55R55)如圖 4-4所示，有別於常用之 X 型 式 之 探 針，其 v 方向與 u 方向速度可量測夾角可達±90°(X 型式最大 可 量 測 夾 角 為 ±45°)， 惟 須 較 為 繁 複 之 校 正 過 程 以 及 高 階 項 次 係 數 率 定 。
(2) 參考風速
本 實 驗 採 用 皮 托 管 進 行 參 考 風 速 量 測，皮 托 管 所 量 測 到 的 壓 力 差 值 傳 遞 至 壓 力 轉 換 器，利 用 伯 努 利 方 程 式(Bernoulli equation)，即依據 4-1 式計算出相應之風速。
air
U p
2
(4-1)
研 究 中 採 用 的 壓 力 轉 換 器 為 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器(very-low pressure transducer，VALIDYNE DP103-18，參見圖 4-6)，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 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)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(取樣頻率為 250Hz，取樣時間 為 10 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。
貳 、 裂 膜 探 針 校 正 方 法
由 於 裂 膜 探 針 主 要 是2 片白金製成之金屬薄膜附貼於 1 圓柱之兩 側 ， 而 2 膜間有一間隙，故稱之為裂膜(split-fiber)。前後 2 裂隙所成 之 平 面 稱 之 為 裂 面(如圖 4-7)。進行量測時，當風向與裂面平行並與膜 片 垂 直，則 2 膜片所感應的電壓(
E 1
、E 2
)將一致。若風向與熱膜正交，但 與 裂 面 有 一 夾 角 θ ， 則 2 膜片所感應的電壓平方差(
E 1 2
E 2 2
)將隨夾 角 增 大 而 變 大 。首 先 針 對 風 速 進 行 校 正 ， 按 金 氏 定 理(King’s Law)， 電 壓 平 方 和 (
E 1 2
E 2 2
)與風速成冪次關係，其公式如後：
BU n
T A E
E
2 2
2
1
(4-2)其 中， T 為探針膜片溫度與環境溫度差；A、B 為風速回歸係數；β 為 冪 次，當 試 驗 風 速 低 於 50 m/s 時，β採用 0.5。本實驗風速校正結 果 如 圖 4-8所示，校正風速由 1 到 20 m/s 共 20 組，所得校正係數 A
＝0.16，C
a
＝0.13，相關性為 0.99。在 角 度 校 正 部 分，由 電 壓 平 方 和 與 來 風 夾 角 關 係 圖(圖 4-9)可以得 知，來 風 夾 角 變 化 對 於 電 壓 平 方 和 並 無 明 顯 影 響，電 壓 平 方 和 誤 差 最
大 低 於 5％。但由於角度平方差與溫度比值結果與角度相關，在來風
夾 角 介 於 ±30°時 ， 其 公 式 為 ：
T C a
E E 1 2 2 2
(4-3)
第四章 研究方法 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 3.2 MS/s 的速度經由 USB 界面傳至電腦，進行資料 (virtual instrument，簡稱 VI)，可減省儀器之使用量。
圖 4-1 內政部建築研究所風洞實驗室外觀
資 料 來 源 ： 本 研 究 拍 攝圖 4-2 風洞實驗室配置圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第四章 研究方法
圖 4-3 熱線測速儀量測原理示意圖
資 料 來 源 ： Dantec Corp.圖 4-4 裂膜探針(55R55)
資 料 來 源 ： 本 文 整 理圖 4-5 皮托管 圖 4-6 薄膜式壓力計
資 料 來 源 ： 本 文 整 理圖 4-7 裂膜探針示意圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理U
0.5(m/s) (E
2 1+E
2 2)/ T
0 1 2 3 4 5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
圖 4-8 流速校正迴歸曲線(總反應電壓對風速之函數)
第四章 研究方法
(E
12+E
22)/ T
-90 -60 -30 0 30 60 90
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
U=2.5 m/s U=5 m/s U=10 m/s U=15 m/s U=20 m/s
圖4-9 總反應電壓差對風攻角之關係圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理-
o(E
12-E
22)/ T-[(E
12-E
22)/ T]
o-120 -90 -60 -30 0 30 60 90
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
U=2.5 m/s U=5 m/s U=10 m/s U=15 m/s U=20 m/s
圖 4-10 反應電壓差對風攻角關係圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理U m/s C vol t
2/
oC/ de gr ee
0 5 10 15 20 25
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
圖 4-11 角度係數變化圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理圖4-12 資料擷取系統 圖 4-13 LabView 介面
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第四章 研究方法 Term)及時間，而 為運動黏滯度(Kinematic Viscosity)，其中源項 f
為樹木或 建築物於局部位置對流體造成之外力。
在密度僅為壓力的函數的假設條件(即 Barotropic 假定)下，對低馬赫 數流(Low-Mach-Number Flows)而言，空間平均形式紊流(Turbulent Flow) 控制方程式可近似為如下之指標符號形式(" "意指平均(Average)，"