氣體動力流場模擬

在流場的數值模擬部份，首先針架設風力機的場所建立一模型，

主要目的是為了瞭解該場地之邊界層影響的區域作分析及討論；本研 究將針對國立台灣科技大學國際大樓14 樓（後面簡稱IB 大樓）之屋 頂為參考模型（如圖3.1 所示），而在之後的性能實驗亦將風力發電 機架設於此地點。

在開始進行模擬之前，必需針對模擬區域做一詳細的定義，本文 之模擬區域即為實際風力發電機的裝置地點，如圖3.2a 所示；在此 就整體大樓進行流場數值模擬，以瞭解屋頂上的受風情況。首先，將 其物理模型以CAD 軟體畫出（如圖3.2b 所示），且大樓模擬之計算 區域如圖3.3a 所示，發電機安裝位置距離上下邊界約為20 倍屋頂寬 度，上、下游區分別為屋頂寬度之12 與20 倍長；至於網格採用三角 網格為主（圖3.3b），整體網格數為2,931,079 個。由於該流場在秋冬

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季受東北季風影響，故風向多以東北向為主，因此入口風速位置設為 東北向之主要入風口；同時邊界條件之設定方面，將入口風速設定為 均勻流，且在數值模型的邊界I 設為速度入口。

在模擬設定的部分，參照陳旭彥[34]對大樓流場的模擬設定，假 設為紊流、穩態及不可壓縮流場，且不考慮重力的影響。但在入風條 件設定的部分，因為考量完整建築物之外觀平順的結構，故其速度場 的部分設定為標準風梯度成長曲線[34]；而在本文研究的位置之建築 外觀結構的部分，在樓層間皆有設置遮陽板來阻擋上升氣流對於速度 的加成，且在此僅模擬的大樓12 樓到屋頂的區域，故在入風口設為 均勻流。

IB 大樓之流場分析結果如圖3.4 所示，可以發現在女兒牆後方及 屋頂後方，會產生回流區且流場較不穩定，本文評估此兩區較不適合 裝置風力發電機；如仔細觀察女兒牆後方區域，可看出流場因女兒牆 的出現而產生加速區，集中出現在女兒牆後1 m、高約1.5 m 的位置，

當速度4.5 m/s 的均勻風吹過，在加速區最高之風速可以達到6.7m/s。

由圖中亦可觀察到，由於在大樓的外觀之遮板設計，會有效的阻擋風 沿大樓壁面直接上升的氣流，而使在女兒牆附近向上的加成速度降 低。

比照陳旭彥對U 型大樓的研究[34]，文中對風場的觀測位置為屋

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頂中央的位置往上算起（圖3.5），在屋頂高1m 至5m 區為因女兒牆 影響區域，而在5m 之後即變為穩定流場；在穩定流場的部分，他所 模擬的平均值約為5.72 m/s，而本研究所得到的值為5.12 m/s，其誤差 約為10%。此處所產生的誤差原因可能是，在本文所模擬的大樓外觀 有遮陽板阻擋上升的氣流，而使得在屋頂上的風速有所下降，但基本 上仍為可以接受的範圍內；故本文將根據此模型進行簡化，以期有效 進行後續含風力發電機的流場運算。

圖3- 1 台灣科技大學的國際大樓屋頂

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（a）實際裝置地點

（b）幾何模型

圖3- 2 風力發電機之實際裝置地點

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（a）計算區域

（b）網格分佈

圖3- 3 大樓模擬之計算區域與網格分佈

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圖3- 4 實際裝置地點之流場分佈

圖3- 5 實際裝置地點與參考資料之距屋頂高度-風速比較

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