實驗配置與量測

建築物模型試驗於內政部建築研究所風洞實驗室進行，風洞本體為一垂 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，原封閉迴路風洞切換為開放式風洞。

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

壹 、 流 場 配 置 與 量 測

本研究以錐形擾流板及粗糙元素之搭配，並參考本所研究報告「風洞實 驗室之大氣邊界層模擬技術研究」[28]，以試誤法方式找出符合要求的組合。

實驗中所使用的擾流板、粗糙元素及搭配方式如圖4-3至圖 4-7所示。實驗室 現場配置照片如圖4-8所示，在錐形擾流板後方鋪設 1640 cm的粗糙元素，依 所需地況不同(開闊地況與市郊地況)，分別採用不同配置方式。而氣彈模型 設置於第2 旋轉盤位置(圖 4-9)，僅露出高層建築模型本體。

圖4-3 粗糙元配置圖 資料來源：本文整理

圖4-4 錐形擾流板示意圖-1 圖4-5 錐形擾流板示意圖-2 資料來源：本文整理

圖4-6 平坦地況實驗配置圖(地況 C-1) 資料來源：本文整理

圖4-7 都市地況實驗配置圖(地況 C-2) 資料來源：本文整理

圖4-8 風洞實驗配置 圖4-9 氣彈模型設定 資料來源：本研究拍攝

貳 、 風 速 量 測

本實驗風速剖面量測係以熱線(Hot Wire)探針配合恆溫流速儀(Constant Temperature Anemometer; DANTEC 9090N10101)進行量測(如圖 4-10、圖 4-11) 。 而 參 考 風 速 則 採 用 直 式 皮 托 管 ( 如 圖 4-12) 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：

(1) 風速剖面

在風速剖面的風場量測上，本實驗使用DANTEC之熱線流速儀(constant temperature anemometer，如圖 4-10、圖 4-11)。熱線探針利用移動機構，垂直 量測風速剖面之變化。

圖4-10 熱線探針 圖4-11 熱線測速儀 資料來源：本文整理

(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

ρ

= 2Δ

(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 4-13)，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。

圖4-12 皮托管 圖4-13 薄膜式壓力計 資料來源：本文整理

參 、 剛 性 氣 彈 模 型

本實驗的氣彈力模型以高層建築物為對象，依據來流風場及建築物的條 件，模擬其外型、阻尼與勁度等動力特性。

(1) 建築物模型

實驗中方型斷面的建築物模型(10 cm× 10 cm× 70 cm、12.5 cm× 12.5 cm

× 87.5 cm)相應之高寬比為 7，阻塞比小於 2%(如圖 4-14、圖 4-15)。其內裝 為輕型鋁合金架外框鎖以輕薄之鋁合金片或巴莎木片製作，使得模型本身呈 現剛性強、不易變形的線性振態，底部設有螺栓孔以便固定在模型基座上。

圖4-14 剛性氣彈模型設置圖

圖4-15 剛性氣彈模型照片 資料來源：本文整理

(2) 軸承系統

本實驗在模型底端連接一軸承系統(gimble)，除提供順/橫風向的振動自 由度外，並確保兩個方向之運動不相互干擾(如圖 3-8)。

(3) 建築模型的勁度

模型勁度的模擬係於軸承系統中以螺旋彈簧連接在鋼架下方兩個方向的 主軸上，兩兩相互垂直(如圖 4-17)，並藉彈簧種類之適當選取以獲得建築物 模型在順風向與橫風向之既定勁度。

(4) 結構物的阻尼

結構物的阻尼多假設為黏滯阻尼(viscous damping)。本實驗中阻尼的模擬 採用氣彈力模型基座底端延伸一圓盤形槳片阻尼板浸入油池的設計(如 圖 4-17)，以達到阻尼消能的效果。

圖4-16 軸承系統 圖4-17 彈簧與阻尼油池 資料來源：本文整理

(5) 位移反應之量測

對於模型順橫風向之位移反應量測方面，由於模型頂部反應與基底反應 呈線性關係。因此，藉由雷射位移反應量測，再乘上基底至軸承-模型頂端至 軸承之比例關係，即可推得模型頂部反應。

本研究所採用之雷射位移計係由雷射源(laser head；圖 4-18)與雷射控制 器(controller；圖 4-19)組成，其量測之有效範圍為 6.5 公分至 9.5 公分。雷射 光由雷射源發射至反射板上，操作時必須使其正交，可直接讀得雷射頭與感 應板之距離(率定關係為 1 Volt相應於 1 cm)。

圖4-18 雷射源 圖4-19 雷射控制器 資料來源：本文整理

(6) 資料擷取系統

實驗所量得之類比訊號係經由NI CompacDAQ-9172 擷取後作類比數位 (analog-digital)轉換(圖 4-20)。本系統最高可連結 8 個模組，配合 4 個NI 9215 模組，最高可串接32 個頻道。本模組最高採樣頻率為 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 3.2 MS/s的速 度經由USB界面傳至電腦，進行資料儲存與統計運算。

為配合上述資料擷取系統，另採用LabView8.2 軟體(圖 4-21)，除用圖示 方式取代文字程式的撰寫，且利用資料流(data flow)的觀念來呈現程式執行的 程序。對於基本的儀表控制、量測、訊號處理、影像分析與馬達控制等都能 提供完整的處理。其資料即時處理分析功能，可模擬真正的儀器(如數位電 表、示波器等)，一般被稱為虛擬儀表(virtual instrument，簡稱VI)，可減省儀 器之使用量。

圖4-20 資料擷取系統 圖4-21 LabView 介面 資料來源：本文整理