第一章 緒論
第二節 研究內容與方法
本 研 究 以 大 氣 邊 界 層 中 平 坦 空 曠 地 形 上 單 一 矩 柱 為 基 準 問 題 (benchmark problem)，首以風洞建築模型試驗量取風場與柱體之風力 係 數 作 為 數 值 模 擬 結 果 驗 證 之 基 本 資 料；繼 針 對 不 同 數 值 模 式 之 計 算 結 果，比 較 其 間 之 差 異 性 與 優 缺 點，進 而 評 估 其 適 用 性 與 可 行 性。最 後，再 依 據 數 值 模 擬 結 果 與 風 洞 實 驗 數 據 之 比 對 與 探 討，初 步 研 擬 工 程 實 務 上 可 接 受 的 CFD 模擬準則。研究中風洞試驗部份係於建研所 歸 仁 風 洞 進 行；在 數 值 計 算 上 擬 選 定 兩 個 典 型 的 商 業 軟 體 與 主 持 人 發 展 多 年 的 CFD 軟體，針對三種典型的紊流模型進行模擬，以進行比 較 與 分 析 。
一 、 研 究 內 容 1. 風洞試驗
風 洞 試 驗 中 量 測 內 容 主 要 為 矩 形 斷 面 高 層 建 築 在 邊 界 層 流 場 之 風 壓 與 風 力。建 築 模 型 尺 寸 如 圖 1-1 所示。其 中，高 度(H) 為 40 cm；
高 寬 比(H/ BD)為 4；深寬比(B/D)分別為 1/2、1/1、2/1。大氣邊界 層 性 質 則 選 用 符 合 風 力 規 範 之 地 況 C (α 值約為 0.15，邊界層高度 δ 約 為 120 公分)。
2. 數值模擬計算
到 目 前 為 止，國 際 間 有 四 套 廣 為 工 程 界 與 學 術 界 使 用 的 泛 用 型 商 業 計 算 流 體 動 力 學 軟 體 ， 分 別 為 美 國 Ansys 公 司 的 Ansys CFX 與 Fluent、奧地利的 Swift 及日本的 Star-CD，均可有效預測流場現象。
而 本 研 究 將 採 用 美 國 Ansys 公 司 所 開 發 的 計 算 流 體 動 力 學 軟 體 Fluent、日本的 Star-CD 與主持人發展多年的 CFD 軟體。三套軟體皆 以 有 限 體 積 法(finite-volume method)為 架 構 所 建 置 出 來 的 計 算 流 體 動
力 學 程 式，以 解 析 連 續 與 動 量 方 程 式，據 以 獲 得 動 態 風 場 與 柱 體 表 面 風 壓 的 時 序 列(time-series)結果。
圖 1-1 風洞試驗幾何形狀
(資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 )3. 紊流模式之選用
目 前 廣 為 大 眾 使 用 的 紊 流 模 式(turbulence model)可分成兩大類：
(1) 雷 諾 平 均 納 維 爾史 脫 克 (Reynolds averaged Navier-Stokes；
RANS)紊流模式
此 係 採 用 時 間 平 均(time-averaging) 的 觀 點 ， 典 型 者 如 k-ε model、k-Ω model、algebraic model、Reynolds stresses model 等。
(2) 大渦模擬 (large eddy simulation；LES)紊流模式 H
B D
第一章 緒論
此 係 採 用 空 間 平 均(space-averaging)的 觀 點 ， 典 型 者 如 次 網 格 (subgrid-scale)與動態次網格(dynamic subgrid-scale)紊流模型。
在 計 算 流 體 力 學 的 數 值 分 析 過 程 中 ， 紊 流 模 式 的 不 同 將 直 接 影 響 模 擬 結 果 的 準 確 性 與 計 算 所 需 的 時 間 。 計 畫 中 將 探 討 如 何 的 從 各 種 不 同 紊 流 模 型 進 行 適 當 的 選 擇 ， 並 考 慮 到 每 一 個 應 用 範 例 的 目 的 、 與 各 種 紊 流 模 式 的 優 缺 點 。
在 上 述 文 獻 中 曾 提 及，與 RANS 紊流模式比較，LES 紊流模式 對 於 複 雜 流 場 之 預 測 更 為 準 確。但 因 為 運 用 LES 紊流模式，所得為 暫 態 解(transient)與三維空間的計算值域，需經過長時間計算方能求 得 穩 定 且 可 運 用 之 流 場 資 料 。
本 次 研 究 乃 針 對 standard k-ε、RNG(re-normalized group) k-ε 與 LES 三個模式，進行數值模擬分析。
4. 計算域規劃
依 據 Rodi [9] 在 k-ε 紊 流 模 式 中 所 使 用 計 算 區 域 (computation domain)規劃，分別取入流段為障礙物上游 3H (H 為柱高)，下游段為 6H，障礙物左右邊界為 7H。在 LES 紊流模式中，入流段為障礙物上 游 3.5H，下游段為 10H，障礙物左右邊界為 9H。本研究將合理之計 算 域 列 為 研 究 參 數 之 一 ， 建 議 不 同 數 值 模 式 下 之 合 理 之 計 算 域 。
5. 合理邊界層來流條件
過 往 的 眾 多 學 者 在 利 用 數 值 模 擬 來 模 擬 大 氣 邊 界 層 時，大 多 是 使 用 已 知 的 風 速 剖 面、紊 流 動 能(turbulence kinetic energy)及紊流消散率 (dissipation rate)作為模擬時風速初始邊界的設定。但在這些模擬範例 中 可 看 出，紊 流 動 能 消 散 速 度 遠 大 於 風 洞 試 驗 的 結 果，此 乃 造 成 數 值 模 擬 失 真 的 主 要 原 因。因 此，如 何 克 服 紊 流 動 能 衰 減，成 為 數 值 模 擬 相 當 重 要 的 一 環。於 近 幾 年 發 表 於 各 國 際 期 刊 中 皆 可 見 到 眾 多 學 者 對
此 付 出 的 成 果 展 現 。 經 由 整 理 後 ， 可 概 分 成 三 類[10]：。
(1) 利 用 牆 壁 函 數 (wall function)， 以 調 整 壁 面 粗 糙 高 度 (roughness height)。
(2) 設定壁面的正向應力(wall shear stress)，以減少紊流動能衰減的 情 形 。
(3) 在上游入流端增加粗糙元素(roughness element)。
探 討 建 築 風 工 程 的 流 場 必 須 是 具 有 特 定 紊 流 特 性 之 邊 界 層 。 因 此 ， 穩 定 紊 流 邊 界 層 之 數 值 模 擬 亦 為 本 研 究 工 作 項 目 之 一 。
6. 數值模擬結果與風洞試驗進行比較
數 值 模 擬 結 果 與 風 洞 試 驗 案 例 說 明 如 後 ：
(1) 模型尺寸：高寬比(H/ BD)為 4；深寬比(B/D)分別為 1/2、1、
2(淺矩柱、方柱、深矩柱)。
(2) 風洞試驗大氣邊界層性質：C 地況（平坦空曠地形）。
(3) 使用模擬軟體：Fluent、Star-CD 和 WCF。
(4) 紊流模式：standard κ-ε、RNG(renormalized group) κ-ε 與 LES。
(5) 數值模擬入流段風場特性：C 地況。
本 計 畫 擬 針 對 上 述 案 例，比 較 數 值 模 擬 與 風 洞 實 驗 之 方/矩形建 築 物 之 風 壓 分 佈 與 整 體 風 力 係 數 。
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