實驗參數

實驗參數包含流況、流速及風向角等三項。流況分均勻流及模擬都市 風場之指數率為 0.36 之大氣紊流邊界層兩種情形。風速從 3.43m/s 到 13.19m/s 共十六組風速變化。風向角除了圓柱體模型外，一般以業界常採 用之 10 度為測試間距，方柱體之測試範圍由由 0 度至 180 度（因其形狀 呈 90 度對稱），台北 101 金融大樓則因地面裙樓的緣故，造成整體造型之 不對稱，因此風向角由 0 度至 350 度每 10 度量測一次風壓分佈，另加上 45 度、135 度、225 度及 315 度風向角，即總共 40 個角度。

第四章 實驗結果與討論

4.1 方柱體流場：

風向角 0 度時，方柱建築之表面風壓分佈如圖 13 至 20 所示，風壓 以壓力係數表示，其相對之雷諾數分別為 7.9X10⁴、1.85X10⁵及 2.4X10⁵。 由圖 13 至圖 15 之迎風面的等壓力分佈圖，可得知滯流點(stagnation point)之位置約在迎風面中線 84%的高度，且在所實驗的雷諾數範圍 內，不受雷諾數大小之影響。從圖 13 之壓力分佈，可知迎風面之壓力 係 數 為 正 ， 側 風 面 及 背 風 面 之 風 壓 係 數 為 負 值 ， 且 側 風 面 之 吸 力 (suction)效應比背風面強，符合習知的流體力學行為；其他兩個雷諾 數之情形也類似。唯比較三個雷諾數下迎風面之風壓分佈，顯示在雷諾 數 7.9X10⁴時，壓力除了隨高度增加外，卻也有局部震盪的現象，這種 局部震盪的現象，在雷諾數為 1.85X10⁵與 2.4X10⁵時，卻已不復存在，

而且在後面的這兩個雷諾數下，壓力分佈十分對稱，顯示流場在較低的 雷 諾 數 時 ， 來 自 上 游 的 紊 流 流 場 結 構 可 能 尚 未 達 局 部 平 衡 (local equilibrium)之情形，這個現象需進一步探討。

另外在高度約十分之一處，無論那個雷諾數，均有一個低壓區，乃 俗稱騎樓風的馬蹄形渦漩之中心的低壓所造成，相對的在近地表壁面 處，建築物上之壓力相對增加。

圖 13 方柱建築表面風壓之 圖 14 方柱建築表面風壓之 等壓線分佈圖（迎風面） 3D 分佈

100 200 300 200 Re=7.9X10⁴

風向角 0 度 Re=7.9X10⁴

圖 15 方柱建築表面風壓之 圖 16 方柱建築表面風壓之 Re=7.9X10⁴

400 Re=7.9X10⁴

圖 17 方柱建築表面風壓分佈 圖 18 方柱建築表面風壓分佈 之等壓線分佈圖(迎風面) 之 3D 分佈圖

100 200 300 200 Re=1.85X10⁵

圖 19 方柱建築表面風壓分佈 圖 20 方柱建築表面風壓分佈 之等壓線分佈圖(迎風面) 之 3D 分佈圖

風向角 0 度 Re=1.85X10⁵

風向角 0 度 Re=2.4X10⁵

200 Re=2.4X10⁵

由所量取之表面風壓分佈，可以估算方柱建築物之風阻，如圖 21 lift)及結構體的側向擺動，因此本實驗嘗試以RAD 3200 壓力量測模 組，量測側壁壓力隨時間變化之時序演變。在風向角 0 度時，選擇兩側 壁(90 度與 270 度)遠離上風處之壓力孔(如圖 22 所示，測點高度在建築 物 1/2 高度處)，量取其壓力隨時間之變化。在雷諾數 1.85X10⁵時，表 面壓力之時序變化如圖 23 所示。由圖 23 可觀察到兩個明顯的現象，一 是兩側之壓力均呈現偏負(negatively skewed)的情形，另一則是壓力 變化之訊號包含相對之高頻與低頻兩部分，可用濾波的方法將兩者分

Drag coefficient

2.23*10

⁵

1.712*10

⁵

7.67*10

⁴

圖 22 時序側面風壓測點相對位置

風方向 風方向

遠離上風處之壓力孔

迎風面九十度時 迎風面九十度時

另一對稱面

圖 23 側風面風壓變化時序圖(Re=1.85X10⁵)

(a) 90 度側面

0 10 20 30 40

-120 -1 00 -80 -60 -40 -20 0

0 10 20 30 40 50

-100 -80 -60 -40 -20 0

圖 24 與 25 為雷諾數 2.4X10⁵時方柱體下游與上游近地表的瞬間流 場圖。由圖 24 可知近地表的尾流結構並不對稱；相對的由圖 25 可見對 稱之流場結構，與圖 26 之較低雷數（雷諾數 900）之近地表流場比較，

可知在低雷諾數時近地表之尾流結構對稱且steady，顯見高雷諾數時，

尾流之unsteadiness，導致流場瞬間結構之不對稱。由圖 27 則除了可 觀 察 到 近 地 面 流 場 外 ， 也 可 以 明 顯 的 觀 察 到 渦 漩 的 溢 放 （ Vortex shedding）行為。

圖 24 方柱體下游之近地表瞬間流場（Re=2.4X10⁵）

圖 25 方柱體上游之近地表瞬間流場（Re=2.4X10⁵）

圖 26 二維方柱體之近地表流場（Re=900）

圖 27 二維方柱體之流場結構（Re=900）

除 了 實 驗 量 測 之 外 ， 本 研 究 亦 嘗 試 進 行 計 算 流 體 力 學 (computational fluid dynamics，CFD)之數值模擬。採上游為均勻流 之 計 算 ， 紊 流 模 型 為 常 用 之 κ-ε(turbulent kinetic energy-turbulent energy dissipation rate)模式，雷諾數為 4.8x10⁵， 是所呈現之實驗值 2.4x10⁵之 2 倍。圖 28 至圖 32 為風向角 0 度之數值 計算結果；圖 33 至圖 36 則為風向角 45 度之數值模擬結果。由圖 28 及 圖 29 可知迎風面之壓力最大，背風面次之，而側風面則最小，與實驗 量測之結果一致。

圖 28 方柱體之計算風壓分佈圖 圖 29 方柱體之計算風壓分佈圖

(風向角 0 度) (風向角 0 度) 後視

前視

圖

30

為迎風面對稱線地表之壓力分佈，其中座標

0

之位置表示方 柱的中心位置，所以在

-17.5

公分至

+17.5

公分之間

(

表示在方柱體內

)

計算 由壓力分佈可見在建築物上游，壓力由上游之靜壓極劇升

，在建築物之前緣壓力最大，與實驗之建築物表面風壓在接近地面時 高的情形一致。

圖

31

與

32

方柱周圍流場之速度分佈，是流場在定常狀態時

(steady

ate)

之流況，顯示正確的轉角分離的情形，唯仍需要進一步做非定常

（

unsteady

面對稱線地表計算壓力分佈圖(風向角 0 度) 無 之值。

高 升

st

）流況分析，方能顯示流場之動態行為。

CFD 所求得之阻力係數為 1.54，與實驗值 1.6 比較，約小了 4%左右，

其原因可能與上游流場的入流(

incoming flow

)條件有關，需進一步分 析，以釐清原因。

圖 30 迎風

圖 31 方柱體流場之周圍速度分佈

圖 32 方柱體後方速度分佈

與風向角 0 度之結果比較，風向角 45 度時之尾流區較大，相對之

背風面風壓則 較小；在建築物上游，沿流向近地

表之逆壓力梯度也十分明顯，唯仍需與實驗值比較驗證，方能定論。唯 此部分之實驗必須修改目前風洞壁面之結構方能致之。

圖 33 方柱體之前視壓力分佈 圖 34 方柱體之後視壓力分佈

圖 35 迎風面對稱線地表壓力分佈圖(風向角 45 度) 較小，迎風面之風壓也

圖 36 方柱周圍速度分布(風向角 45 度)

(風向角 0 度) (風向角 0 度)

(風向角 45 度) (風向角 45 度)

4.2 圓柱體流場：

圓柱體之近地表流場如圖 37 與 38 所示，分別呈現圓柱下游與上游之流 場結構，其流場結構與方柱體者類似，也是呈現上游 steady state、對 稱之流場結構、而下游 unsteady state、結構不對稱之情形。就上游騎 樓風影響之範圍而言，圓柱體者較小。與圖 39 與 40 之較低的雷諾數（雷 諾數 900）的流場結構比較，可知在低雷諾數時，近地表之尾流結構對

稱而 steady，與 圓柱模型模擬

於都市地況之高層建築物與表面風壓圖，隨著雷諾數的增加，在圓柱側 向面及背風面其 Cp 值負壓會增加，迎風面之 Cp 值仍為最大，圖 44 至 圖 46 則為平滑地況之流場，作為比較都市地況下之基準值，以驗證實 驗的準確性，其結果可得知其 Cp 值均較都市地況下為小，可知地況對 建築物的影響性。

柱體下游近地表之瞬間流場(Re=2.4X10⁵) 方柱體之情形相似。圖 41 至圖 43 為採用

圖 37 圓

圖 38 圓柱體上游之近地表瞬間流場(Re=2.4X10⁵)

圖 39 二維圓柱體近地表場（Re=900）

圖 40 二維圓柱體流場結構（Re=900）

圖 41 圓柱模型主體(都市地況)

圖 43 圓柱模型之建築表面風壓 2D分佈(都市地況，Re=2.541X10⁵)

300 350 -1.5

圖 45 圓柱模型之建築表面風壓 2D分佈(平滑流場，Re=1.277X10⁵)

計算模擬之結果則如圖 47 至 51 所示，其雷諾數與方柱體計算模擬 者一樣，也是 4.8x10⁵。圖 47 至 51，分別表示表面風壓分佈、迎風面對 稱線地表壓力分佈、與周圍流場速度分布。計算結果與方柱流場類似，

也呈現典型的流況。唯從圖 50 之速度分佈與所顯示之分離點來看，分 離點對稱，約在 148 度左右，而且流場分離後之流線也成對稱，均是需 進一步改善之處。

圖 47 圓柱體表面風壓分佈 圖 48 圓柱體表面風壓分佈

圖 49 圓柱體迎風面對稱線地表壓力分佈圖

（前視） （後視）

圖 50 圓柱周圍流場速度分布 圖 51 圓柱體近地表風場速度分布

值得一提的是，在風洞試驗時， 為實驗所用之模型頗大，故在較 高風速時，會發生測試模型震動之現象，無論圓柱體體或方柱體均會震 動，而且圓柱體較易產生震動，這是始料未及的。置於建築物下游之結 構物也會因建築物流場之非定常（unsteady）行為而產生震動，這些都 要近一步分析與探討

因

4.3 台北 101 金融大樓風場

台北 101 金融大樓之局部風場結構如圖 52 至圖 57 所示。

圖 52 風向角 0 度時台北 101 金融大樓雙斗之流場結構（上視圖）

圖 53 風向角 0 度時台北 101 金融大樓雙斗之流場結構（立體圖）

圖 54 風向角 0 度時台北 101 金融大樓雙斗之流場結構（測視圖）

Re=1845 Re=1845

Re=1845

圖55 風向角 45 度時台北 101 金融大樓雙斗之流場結構（上視圖）

圖 56 風向角 45 度時台北 101 金融大樓雙斗之流場結構（立體圖）

圖 57 風向角 45 度時 台北 101 金融大樓雙斗之流場結構（測視圖）

Re=1845

Re=1845

Re=1845

由圖 52 之流場結構，可知在風向角 0 度、且 低時，流場結 構相當對稱，渦漩溢放也頗為對稱，此乃始料未及之現象，可能是銳緣 褶曲與斗型幾何形狀之故，值得進一步探討。

相對的，由圖 55 至 57 之流場結構也可知，流場結構趨向對稱之情 形在風向角 45 度時，也是相當明顯，渦漩溢放亦然，當然三維結構也 是顯而易見。由於流場結構趨向對稱，尤其是渦漩之溢放，可以想見此 種幾何造型有減少渦漩衍生震動之功能。

分別代表風向角在 0 度、45 度、90 度、180 度及 結果。需特別 說明的是，圖中所指之風向角乃 101 金融大樓模型之裙樓置於主樓西北 角落所組成之面的風向角；換言之，風向角 0 度時，模型正對風向。若 不管裙樓之影響，則風向角 0 度 90 度 180 度與 270 度可視為斗型主樓 在正對風向時其四面之表面風壓。由圖 58 之壓力分佈，可以發現隨著 高度增加，壓力呈階段型增加之情形，顯示斗型建築結構有減緩表面風 壓隨高度增加之趨勢。這種階段式的壓力的變化的幅度在風向角 45 度、

90 度與 270 度時更為明顯。相對的， 180 度之壓力分佈可知模型背風 面

言之，由迎風面壓力增加較緩的趨勢與背風面風壓之絕對值較小的現象 來看，101 大樓之風阻勢必比方柱體小。而從流場結構較為對稱之情形，

也可知 101 之流場衍生震動也會較小。

雷諾數

模型表面風壓分佈以壓力係數表示之，如圖 58 至圖 62 所示，各圖

模型表面風壓分佈以壓力係數表示之，如圖 58 至圖 62 所示，各圖

在文檔中 風洞實驗館基本性能建立之研究 (頁 32-0)