研究內容與方法

一 、 研 究 採 用 之 方 法

本 研 究 擬 以 大 氣 邊 界 層 C 地 況 中 平 坦 空 曠 地 形 上 高 寬 比 (H/D)為 1:7 之 單 一 方 柱 建 築 物 為 基 準 問 題 (參 見 圖 1-1)， 以 風 洞 試 驗 分 別 針 對 氣 動 力 ( 壓 力 ) 模 型 (aerodynamic pressure model) 與 剛 性 氣 彈 力 模 型 (rigid aero-elastic model)量 取 柱 體 之 風 力 係 數 (壓 力 模 型 )與 方 柱 之 橫 風 (across wind)動 態 反 應 (氣 彈 力 模 型 )，以 為 數 值 模 式 確 認 與 數 值 模 擬 結 果 驗 證 之 比 對 依 據。在 數 值 模 擬 上 則 以 氣 動 力 情 況 為 始，首 先 建 立 出 不 考 慮 互 制 效 應 (當 建 築 物 之 振 動 反 應 不 顯 著 )時 風 場 與 建 築 物 風 力 預 測 之 數 值 模 式 ， 繼 而 針 對 氣 彈 力 情 況 (互 制 效 應 明 顯 時 )， 藉 風 場 與 結 構 動 力 方 程 式 的 交 替 解 析 ， 完 成 氣 彈 力 數 值 模 式 之 建 構 。

圖 1-1. 研究個案簡示圖

計 畫 之 工 作 包 括 風 洞 模 型 試 驗 與 數 值 模 擬 計 算 兩 個 部 份，茲 分 述 如 後 ：

(一 )風 洞 試 驗

氣動力試驗中係使用壓力模型，於壓克力模型表面佈設密集之壓力孔，

H UH D

x y z

各孔以 PVC 管連至電子式壓力掃瞄器以獲得柱體表面風壓之時序列資料，進 而計算建築物模型之相關風力係數。

至於在氣彈力試驗中則採用剛性氣彈力模型， 藉 由 模 型 史 庫 頓 數 (Scruton number; Scr)之 改 變 (針 對 Scr≦ 2.5、2.5≦ Scr≦ 5.5 及 Scr≧ 5.5 等 三 個 區 間 分 別 取 一 個 案 進 行 探 討 )， 以 雷 射 位 移 計 量 得 柱 頂 在 橫 風 向 之 振 動 位 移 反 應 ， 進 而 獲 取 不 同 來 風 速 度 下 柱 體 振 動 量 (時 均 值 與 均 方 根 值 )， 以 作 為 驗 證 數 值 模 式 計 算 結 果 之 比 對 依 據 。 在進行風洞試 驗時，來流風速將由低風速開始逐次增加並跨越渦散共振風速。

(二 )數 值 模 擬

數 值 模 式 之 建 立 係 以 氣 動 力 (剛 性 結 構 )情 況 為 始 ， 並 逐 步 擴 展 至 氣 彈 力 (柔 性 結 構 )之 情 況 。 前 者 僅 包 含 流 體 (風 場 )之 動 態 計 算 ； 後 者 除 了 風 場 模 擬 外，另 需 併 入 結 構 動 力 計 算，而 以 流 體 與 結 構 兩 套 動 力 方 程 式 之 交 替 解 析 方 能 正 確 反 映 出 風 場 與 結 構 間 之 互 制 效 應 。 (1) 紊流風場計算

研究中流場之計算係採用微可壓縮流(weakly-compressible-flow method [1])方法，以模擬建築物鄰近區域之三維(three-dimensional)非恆定(unsteady) 紊流(turbulent)風場。數值模式中另應用大渦模擬法配合次網格紊流模型 (sub-grid-scale turbulence model)，以反映出真實風場中之紊流特性。

此外，由於在大渦模擬中給定之紊流來風為時變的形式，在進行風場模 擬時擬依據風洞試驗中相應於 C 地況來風速度剖面之時均(mean)與均方根 (root-mean-square)值分佈，採用數值方法以產生相應之紊流時變來流風速資 料，據以建置來流風場入流條件之資料庫。

(2) 結構動態反應計算

在非恆定情況下的計算過程中，柱體建築之瞬時外力(風荷重)乃由紊流 風場計算中獲得，並經由結構運動方程式之解析求得建築物在順風向與橫風 向之瞬時動態反應。此結果(振動速度、位移)續併入紊流風場計算中之邊界

條件中，以求取下一瞬間之風場結果。

研究中採固定空間格網系統，以流體體積(volume of fluid; VOF)法進行 風場模擬。當完成某一瞬間之風場預測後，相應柱體之外力係應用浸沒邊界 法(immersed-boundary method; IBM) 推求而得。

二 、 研 究 採 用 方 法 之 原 因

研 究 中 採 用 風 洞 試 驗，分 別 針 對 氣 動 力 壓 力 模 型 與 剛 性 氣 彈 力 模 型 量 取 柱 體 之 風 力 係 數 (壓 力 模 型 )與 方 柱 之 橫 風 動 態 反 應 ， 以 作 為 數 值 模 擬 結 果 驗 證 與 數 值 模 式 確 認 之 依 據 。

在 風 場 數 值 模 擬 中 使 用 的 微 可 壓 縮 流 方 法 屬 研 究 型 CFD 軟 體 ， 經 過 去 廿 年 之 發 展，業 已 獲 得 相 當 之 研 究 成 果 (如 見 [2-11])。此 外，在 鈍 體 流 (bluff-body flow)的 模 擬 中，由 於 大 渦 模 擬 方 法 業 經 証 實 在 鈍 體 流 數 值 模 擬 上 較 其 他 紊 流 計 算 模 式 有 更 為 精 準 的 預 測 結 果 [12]， 此 乃 本 研 究 選 用 LES 方 法 進 行 風 場 數 值 模 擬 的 主 因 。

此 外 ， 由 於 本 研 究 的 情 況 中 涉 及 固 體 移 動 (柱 體 振 動 )的 問 題 ， 在 進 行 風 場 模 擬 時 數 值 空 間 會 隨 著 時 間 改 變。直 觀 上，流 力 計 算 可 以 使 用 動 態 之 數 值 計 算 格 網。然 而，在 每 一 瞬 間 從 事 數 值 格 網 的 建 構 將 導 致 模 擬 時 間 之 明 顯 增 加，對 數 值 模 擬 工 作 的 執 行 深 具 影 響。因 此，為 了 要 有 效 減 少 模 擬 計 算 所 需 要 的 執 行 時 間 ， 研 究 中 則 採 用 了 流體體積 法並配合了浸沒邊界法的應用，在固定空間格網系統中進行風場與柱 體 振 動 反 應 的 數 值 計 算 。