第 3 章 氣象塔儀器設置
3.3 懸臂長度計算
3.3
懸臂長度計算
安裝在懸臂上的風速計，若在氣象塔或懸臂之尾流內量測時，會受到氣象塔及懸臂引起之氣流畸變(flow distortion)影響，故風速計與氣象塔及懸臂間必須維持適當的距離，以保持氣流畸變效應達到可以接受之低標 準。建議低標準是氣象塔所引起之氣流畸變小於 1%，懸臂引起之氣流畸變小於 0.5%。
懸臂引起的氣流畸變，可將風速計設置在圓形懸臂以上，距離懸臂直徑的 15 倍，則懸臂造成之氣流畸變應可 低於 0.5%，建議距離為懸臂直徑之 25 倍。
氣象塔所引起氣流畸變對風速計之影響，取決於風速計與氣象塔之距離，距離決定應考量氣象塔的結構型式與 實體性(solidity)，氣象塔結構可為：圓柱型氣象塔或格狀氣象塔。
3.3.1 圓柱形氣象塔
圖 3-3 為應用納維-史托克方程式(Navier Stokes Equations)求取圓柱形氣象塔周圍，受氣流擾動之相對風速等高 線圖，圖 3-3 顯示通常在氣象塔上風處(即圖左側)會出現氣流減速，氣象塔側邊(即圖上下側)會出現氣流加速，
而氣象塔後方(即圖右側)會有尾流效應，此外面對風來向 45 度角時，所發生之氣流擾動最小。
圖 3-4 為以距離為函數之相對風速圖，根據此案例結果，入流風、風速計與氣象塔同一直線時之相對風速與距 離比關係如圖 3-4 所示，該距離比係指風速計距離圓柱形氣象塔中心(R)與圓柱型氣象塔結構件直徑(d)之比值，
當風速計距離圓柱型氣象塔中心的 8.2 倍直徑時，相對風速為 99.5%，當風速計距離圓柱型氣象塔中心的 6.1 倍直徑時，相對風速為 99%。故若氣流畸變需小於低標準 1%，風速計至少須遠離圓柱型氣象塔中心之 6.1 倍 直徑，即懸臂長度為 5.6 倍之圓柱型氣象塔直徑。
圖3-3
圓柱型氣象塔相對風速等高線圖[2]
3.3 懸臂長度計算
圖3-4
圓柱型氣象塔相對風速與距離關係圖[2]
3.3.2 格狀氣象塔
格狀氣象塔之氣流畸變可假定為推力係數(CT)的函數，而推力係數取決於格狀氣象塔的孔洞以及特定結構件的 阻力，為格狀氣象塔單位長度之總阻力除以動壓以及表面寬度(L3m)，該值可由當地建築法規或是下表 3-1 估算 得，表中實體性 ts定義為格狀氣象塔垂直受風面之投影面積與總曝露面積的比值。圖 3-5 為二為空間的納維-史托克方程式(Navier Stokes Equations)計算與驅動盤理論分析求取三角形格狀氣象塔(CT =0.5)之相對風速等高 線圖，當風速計與三角形格狀氣象塔連線和風向夾角為 90 度時，氣流畸變較小。圖 3-6 為入流風、風速計與 氣象塔同一直線時，三角形格狀氣象塔於不同推力係數下，相對風速與距離比關係圖，該距離比係指風速計距 離三角形格狀氣象塔中心(R)與三角形格狀氣象塔結構件迎風面寬度(L3m)之比值，參數定義如圖 3-7 所示。當 入流風、風速計與三角形格狀氣象塔同一直線時，如圖 3-7 所示，則中心線風速差(Ud)可由下式估算：
Ud= 1 − (0.062CT2+ 0.076CT) (L3m
R − 0.082)
當推力係數為 0.5，要求之相對風速為 99.5%時，風速計與三角形格狀氣象塔中心距離(R)應為結構件迎風面寬 度(L3m)之 5.7 倍。當推力係數為 0.5，要求之相對風速為 99%時，風速計與三角形格狀氣象塔中心距離(R)應為 結構件迎風面寬度(L3m)之 3.7 倍。
表 3-1
不同格狀氣象塔之推力係數 C
T [2]塔架型式 水平斷面 CT表示法 有效範圍
正方形橫截面，構件有尖銳邊緣 4.4(1-ts)ts 0.1< ts<0.5
正方形橫截面，圓形構件 2.6(1-ts)ts 0.1< ts<0.3
三角形橫截面，圓形構件 2.1(1-t)t 0.1< t<0.5
3.3 懸臂長度計算
圖3-5
三角形格狀氣象塔(C
T=0.5)之相對風速等高線圖[2]圖3-6
三角形格狀氣象塔相對風速與距離關係圖[2]
3.3 懸臂長度計算
(b) 若應用納維-史托克方程式(Navier Stokes Equations)為黏性流計算評估方法，除了應包含前述內容外，
亦應包含以下內容。
(5) 風速計位置之風速於入流方向分量(velocity component of inflow direction)等高圖與結果值 (不必無因次化)。
(6) 氣象塔總受力值。