第三章 研究設計
第五節 模擬計畫
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立 政 治 大 學
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N a tio na
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第五節 模擬計畫
為了驗證校園熱環境因子改變之情形，本研究將政治大學山下校區之四維道 以及各測點周圍建築物利用Auto CAD 軟體建立模型(圖 3-10)，做為模擬的基底。
模擬的操作方法，係藉由實際測量所得之溫溼度及風速等數據，匯入流體力學軟 體模型，以實際情況為基準，並分別對每個觀測點增加綠化量、人工發散熱增減、
鋪面材質改變及增加水體，運用模型，計算出微氣候的變化。
當軟體計算流體力學時，是在一個「有限場域(計算域、基準場域)之中，進 行場域內的流體分析」，並於計算域裡設定相關參數，使模擬結果較易收斂至穩 定狀態。
模型說明
本研究之3D 模型是使用 Autocad 軟體繪製完成後(圖 3-11)，再匯入 CFD 軟 體進行模型設定與運算。本研究是以監測站之兩側建築物、道路等所構成的模型，
並且進行適度之模型簡化（如忽略：空調主機、鐵窗、屋突等）。再者，為使模 擬情境更貼近現實狀況，本研究建築平面資料與樓高資料取自GOOGLE 2017 年 地圖與政治大學網站資料。
圖3-11 研究區域模型圖 網格設定
在 3D 立體模型中，可劃分為正四面體、正六面體或是曲面的漸變式劃分。
而依據不同網格有不同的連接方式，可區分為混合式網格(Hybrid grids)、非結構 化網格(Unstructured grids)、結構化網格(Structured grids)。
另外，網格的設定，不論之後解的方程式是屬於層流還是紊流模型，在進行
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對任何流體問題求解的計算強度之要求都很高，因此需要相對較細的網格，以進 行許多變量之求解，即使使用高速的電腦來求解這類問題，大型三維模型的仿真 仍可能要持續幾小時甚至幾天。因此，本研究使用小類型相關之簡單、並可以獲 得流動中所有細節的網格，故採用四面體為網格單元型態並且以混合式網格作為 設定條件(圖 3-12)，俾貼近真實模擬標的，讓資料較快呈現收斂至穩定狀態。
圖3-12 模型網格設定示意圖 邊界條件
CFD 模擬是在計算域中，針對各建築的 3D 模型與街道之風場與溫度場等 流場狀況進行模擬，因此必須針對計算域邊界，給予指定各邊界之屬性。在CFD 軟體中，需指定計算域的進風面（Velocity_inlet）、地面（Ground）、出風面
（Outflow）…等，同時設定其他不同的參數，如：進風面之初始溫度與進風速 度、各個表面之材質與熱當量…等，使後續分析可更為精確。
進風面取決於研究區域的主要風向，本研究採用中央氣象局文山測站之參數，
將主要風向設定為北風，與政治大學四維道之方向垂直。此外，CFD 模型採用之 材質不同，其熱傳導係數、熱通量、材質密度等皆影響後續成果；因此在同樣的 熱環境與流場狀況之下，金屬、混凝土、木材質…等的模擬成果，將會產生不同 結果之差異。是以，本研究將建築物之材質設定為均質的混凝土，並設定牆面厚 度0.5m 作為建築模型的條件，同時引用相關文獻，將影響熱環境之相關參數放 入模型中，如：植栽、舖面材質、水體…等，做為模擬設定之使用。
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的當然是直接數值模擬(Direct Numerical Simulation, DNS)，但此法對於網格點之 要求相當嚴格，必須捕捉最小的紊流尺寸(turb ulence length scale)。理論上，確切 地運用正確邊界條件以及合理的數值解析程序的 DNS 法要模擬任何一種紊流流 動狀態，一般管道雷諾數Re<2100 為層流狀態，Re>4000 為紊流狀態，Re=2100～4000 為過渡狀態(圖 3-13)。在不同的流動狀態下，流體的運動規律。流速的分
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紊流模型使用雷諾平均 Navier-Stokes (RANS) 方程式，包含 k-epsilon、低雷諾 數 k-epsilon、SST（剪切應力輸運）和 Spalart-Allmaras 紊流模型。本研究採用 的K-epsilon 模型（k-ε）紊流模型是計算流體動力學（CFD）中最常用的模型(邱 英浩，2011：308)，用於模擬紊流條件下的平均流動特性。這是一個兩方程模型，
它通過兩個輸運方程（PDE）給出了紊流的一般描述。K-epsilon 模型的最初動力 是改進混合長度模型，以及找到在中等到高度複雜的流動中代數性規定湍流長度 尺度的替代方法。因此本研究使用之軟體中 Standard K-ε 紊流模型，對研究區域 進行模擬，其計算模型方程式(Launder and Spalding, 1974:271)如下(式 6)：
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21 資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22425873.
22 普蘭特數，是一個流體力學無因次的純量，表示動黏滯係數和熱擴散率的比例，也可以視為 動量傳輸及熱量傳輸速率的比例。