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)

在文檔中 風洞實驗館基本性能建立之研究 (頁 33-42)