實驗設備

本計畫由於採用多風壓管進行多種不同模型之實驗，較難在短期時 間內將所有風洞試驗在同一實驗室執行完畢。因此規劃將大跨度結構物、

高層建築物的風壓量測實驗於台南市歸仁區的內政部建築研究所風雨 風洞實驗室進行；另外則將低矮建物的風壓量測實驗規劃在淡江大學風 工程研究中心第一號風洞實驗室執行。以下分別針對這2 個實驗室設備 做簡單介紹。

一、內政部建築研究所風洞

內政部建築研究所風洞實驗室其風洞本體為一垂直向的封閉迴路 系統，總長度為 77.9m，最大寬度為 9.12m，最大高度為 15.9m，為東 南亞目前最大之建築風洞實驗室。

整個風洞本體具有兩個測試區段，第一測試區中配置有兩個旋轉盤，

第一座旋轉盤直徑 1m，安置於距測試區入口處 3m 處，從事一般流體 力學研究；第二座旋轉盤直徑2.6 m，置於可移動式軌道上，定位於距 測試區入口端約 25.5m 或 31.5m 處，並以機械控制使其做旋轉及上下 運動，以進行建築物受風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試驗為主。

第二測試區則配置一座旋轉盤，位於風洞本體整流段出口 15m 處，轉 盤直徑為2.6 m，主要用途以橋梁測試為主。

環境風場試驗於本實驗室第一測試段之第二旋轉盤進行，本測試段 長 36.5m、寬 4m、高 2.6m，最高風速為 30m/s。風洞頂部為可調式上 蓋板，以維持測試段壓力梯度為零，並將阻塞比降到最低。實驗室相應 性能參數與配置圖如圖3-7 所示。

(一)、風洞尺寸

測試段長度 36.5 m

測試段寬度 4 m 收縮比 4.7:1 (二)、驅動系統

總功率 500 kW

風扇型式 直接傳動軸流式風扇 風速控制 變頻器控制馬達轉速 (三)、風速

最高風速 30 m/s 邊界層厚度 最高200 cm 紊流強度 測試區處約2 %

(四)、順風向壓力梯度 零梯度由可調式上蓋板調整

圖3-7 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 資料來源：本研究整理

二、淡江大學第一號風洞實驗室

淡江大學風工程研究中心第一號大氣邊界層風洞實驗室屬吸入式 開放型風洞。如圖3-8 所示，風洞試驗段長 12.0 公尺、斷面寬 2.2 公 尺、高1.8 公尺，風洞頂板高度可調整，其最大調整高度為 0.3 公尺。

動力段為離心式風扇(Centrifugal fan)，由具 250 匹馬力之直流無段變速 馬達帶動。風速的調整可藉由控制風扇之轉速而不同，正常運轉下其流 速範圍為1.0 m/s 至 28 m/s。風洞進口段之收縮比為 3.6：1，進口段前 方設有蜂巢管(Honey core tube)及三層之阻尼網(Damping screen)，可降 低風洞內自由流之紊流強度約為0.5％ ~1%。此外，風洞試驗段靠近動 力段部分設有直徑2 公尺之旋轉工作平台(圓盤，Turntable)。平台可經 由電腦操控轉動，其數位式角度計之量測精度可達±0.5°。旋轉台一側設 有觀測室，可透過大型之強化玻璃窗觀測實驗的進行。

圖3-8 淡江大學第一號風洞實驗室大氣邊界層風洞示意圖 資料來源：本研究整理

三、風速量測設備 (a) 皮托管

本研究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)計算出相應之風速。

(b) 熱線測速儀

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。本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。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。

四、壓力量測設備

風壓實驗採用多頻道電子式風壓掃描器，用來同步擷取作用於建築 物表面各點的瞬時風壓，所得之數據經過處理後便可得結構系統所受的 平均風力、擾動風力和外牆所受之局部風壓。

本儀器為SCANIVALVE 公司之產品，如圖 3-9 所示，其元件包括：

1. 壓力訊號處理系統(RADBASE3200)

最多可支援8 組類比訊號轉換成數位訊號之轉換器(A/D MODULE) 最多可支援8 組壓力感應模組，共 512 個壓力量測點。

最大採樣速率可達500Hz 採用USB 介面傳輸。

具備網路控制與傳輸功能。

2. 壓力感應器模組特性：

壓力感應範圍為±10in H2O。

誤差範圍為±0.2%。

實驗中將各個風壓孔之壓力訊號經 PVC 管傳遞至壓力感應器模組，

其量得之訊號傳至壓力訊號處理系統計算後所得壓力值傳回電腦。

圖3-9 多頻道電子式壓力掃瞄器 資料來源：本研究整理

四、數據處理

實驗數據的採樣頻率須高於反應的可能最高頻率，但過高的採樣頻 率需較多的計算時間與人力，對分析之準確度並無實質的意義；而若採 樣頻率太接近反應的可能最高頻率，則會於不連續傅立葉轉換中發生頻 率混淆的錯析現象(Aliasing)。此錯析現象是因傅立葉轉換後的資料，會 於 0.5 倍處對稱出現而使頻率混淆。此 0.5 倍採樣頻率稱為截斷頻率 (Nequist folding frequency)𝑓 ：

𝑓 1/2ℎ 1/ 2𝑓 (4-2) 其中𝑓 為採樣頻率；h 為採樣時間間距。為避免上述錯析現象，

有二種方法可以採用：

(1) 選擇足夠大之採樣頻率，使得反應的可能最高頻率低於截斷頻率𝑓 ， 則不連續傅立葉轉換的對稱行為便不會影響實際數值。一般而言可令 採樣頻率大於截斷頻率2 倍以上。

(2) 將所期望之最大頻率以上之高頻率濾去，再選擇𝑓 等於所期望之最大 頻率，則可得低於𝑓 部份的正確結果。

五、管線修正

當模型表面的壓力經由管線傳遞至壓力掃描器時，壓力訊號會受風 壓管之幾何尺寸影響而被扭曲，此時量測到的平均壓力是不受管線系統 影響的，但某些頻率的壓力訊號會被放大或衰減而影響擾動壓力量測之 準確性，因此須將風壓訊號受扭曲的部分進行還原。

訊號還原方式一般會採用兩種方式，第一種是針對風壓管本身進行 處理，係指在管中加裝細管或其他材料，利用物理方式將扭曲的訊號進 行放大或衰減，以回復原有訊號。第二種則是求出原始訊號及扭曲訊號 之關係，即指將所取得的扭曲訊號，利用已知關係，透過數學方法還原 成原始訊號。這些過程稱為管線修正，而本試驗之管線修正，乃採取第 二種方式進行修正。找出原始訊號和扭曲訊號兩者間之數學關係，此過 程稱為管線率定。

管線率定一般採用白噪訊號(White noise)作為訊號源，利用白噪訊 號產生器並透過訊號放大器，將放大後之白噪訊號輸入振動器，產生具 有白噪訊號特性之氣壓訊號。將此氣壓訊號，同時各透過 5 公分內之

描器。經短管所傳遞之訊號可視為真實訊號(未經 PVC 管扭曲壓力)，定 義為 X(t)；而經 PVC 長管所傳遞之訊號為扭曲訊號，定義為 Y(t)。管 線率定即利用數學方式找出X(t)與 Y(t)間之轉換關係，轉換關係如下所 述：

𝐻 𝜔 𝑅𝑒 𝑆 𝜔 /𝑆 𝜔 (4-3)

𝐻 𝜔 𝐼𝑚 𝑆 𝜔 /𝑆 𝜔 (4-4) 其中𝐻 𝜔 及𝐻 𝜔 分別為 X(t)與 Y(t)之頻率域轉換函數；𝑆 𝜔 為 真實訊號X(t)之能譜密度函數；𝑆 𝜔 為扭曲訊號 Y(t)之能譜密度函數；

𝑆 𝜔 為 X(t)、Y(t)之交頻譜；𝑅𝑒 𝑆 𝜔 、𝐼𝑚 𝑆 𝜔 則分別代表 X(t)、

Y(t)之實部交頻譜與虛部交頻譜。經風壓模型所量測之壓力管線訊號，

即必須以上述結果進行修正，管線修正步驟如下：

令試驗時經過管線扭曲之時間域原始風壓訊號為A t ，B t 為修正 後之訊號。將原始風壓訊號A t 進行快速傅立葉轉換後，可得頻率域之 項𝐴 𝜔 𝑖𝐴 𝜔 。利用下述𝐻 𝜔 及𝐻 𝜔 於頻率域進行原始數據修 正：

𝐵 𝜔 (4-5)

𝐵 𝜔 (4-6)

最後將頻率域修正後訊號𝐵 𝜔 𝑖𝐵 𝜔 進行反傅立葉轉換，則可 得到一組新的時間域訊號B t ，該訊號即為管線修正完成之訊號。圖 3-10 為風壓管線之頻率域轉換函數，該風壓管為透明 PVC 管。

圖3-10 風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數 資料來源：本研究整理