第五章 結果討論
第二節 簡化樹木模型風洞試驗
壹 、 風 洞 試 驗 配 置
由 於 實 際 樹 木 大 小 不 一 且 種 類 繁 多，樹 葉 亦 隨 著 樹 種 不 同 而 有 針 葉、闊 葉 等 分 別。而 市 區 同 種 樹 木 雖 經 過 人 工 修 剪，外 形、葉 面 分 布 等 特 性 亦 有 所 不 同，於 樹 木 試 體 設 計 時 較 難 以 拿 捏。因 此，本 研 究 初 步 以 一 簡 化 之 模 型 樹 進 行，藉 由 風 洞 試 驗 分 析 其 阻 力 係 數，並 探 討 數 值 模 式 之 適 用 性 。 來 流 為 均 勻 分 布 ， 風 速 為 14 m/s， 模 型 樹 高 H， 試 驗 配 置 如 圖 5-4所 示 。 試 驗 於 風 洞 實 驗 室 第 一 測 試 段 第 1 旋 轉 盤 進 行，該 測 區 近 地 表 紊 流 擾 動 量 低 於 1 ％，中 心 紊 流 擾 動 量 小 於 0.3 ％，
邊 界 層 厚 度 小 於 3 cm，平 均 風 速 與 紊 流 擾 動 於 橫 向 與 縱 向 呈 現 相 當 高 之 穩 定 度 。
貳 、 試 驗 樹 木 設 計
本 階 段 試 驗 擬 定 簡 化 之 樹 木 模 型，模 型 樹 採 用 以 下 幾 種 假 設：○
1
樹 叢 為 方 形 柱 體，避 免 順 橫 風 向 外 型 變 化 之 變 因，除 了 在 分 析 阻 力 係 數 時 可 直 接 求 得 控 制 體 體 積，且 方 便 數 值 模 擬 設 定；○
2
樹 葉 分 布 為 均 勻 ； ○3
模 型 樹 木 枝 葉 及 樹 幹 均 不 受 風 吹 而 有 劇 烈 擺 動 。模 型 上 方 枝 葉 部 為 高 (H1)寬 (D)為 25 cm 的 立 方 體 ， 下 方 樹 幹 部 採 用 直 徑 5 cm 高 12.5 cm 的 圓 柱 模 擬 之 。 枝 葉 部 表 面 附 以 人 工 草 皮 以 模 擬 樹 木 枝 葉 ， 模 型 設 計 示 意 圖 與 照 片 圖 5-5、 圖 5-6所 示 。
參 、 量 測 位 置
為 求 取 樹 木 通 透 模 式 的 阻 力 係 數 ， 規 劃 量 測 格 點 於 貼 近 樹 木 處 (距 離 3 cm)， 格 點 間 距
x
、 y 由 2 cm 至 4.67 cm 不等，圖 5-7為量 測 格 點 分 布 示 意 圖 ， 水 平 (y)與 垂 直 (z)向 格 點 數 為 9×10， 合 計 共 90 個 點 位 ， 方 形 枝 葉 部 中 心 點 位 置 定 義 為 0， 依 此 定 義 其 餘 水 平 及 垂 直 格 點 位 置 。 實 驗 以 二 維 熱 線 探 針 量 測 順 橫 (u-v)及 順 縱 (u-w)向 風 速 ， 輔 以 移 動 機 構 移 動 控 制 探 針 位 置 。第五章 結果與討論
圖5-4 風洞實驗配置示意圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理H
2
D
H
1
圖5-5 簡化樹木模型設計示意圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理圖5-6 簡化樹木模型風洞試驗照片
資 料 來 源 ： 本 文 整 理圖5-7 鄰近樹木下游面量測格點圖
資 料 來 源 ： 本 文 整 理第五章 結果與討論
肆 、 平 均 風 速
檢 視 圖 5-8a 格 點 量 測 之 順 風 向 平 均 風 速 (
u /U 0
)量 測 結 果 發 現 ， 在 z＜ 12.5 cm 位 置 為 樹 幹 部 ， 呈 現 局 部 加 速 的 現 象 ， 最 高 風 速 可 達 0.9， 與 樹 林 風 場 結 果 頗 為 類 似 。 而 在 枝 葉 部 區 域 內 ， 受 到 遮 蔽 效 應 所 影 響 ， 風 速 明 顯 降 低 。 而 越 靠 外 側 (y
越 大 )， 風 速 有 越 大 的 趨 勢 ， 相 對 中 心 線 (y=0)風 速 則 較 低 。 但 整 體 而 言 ， 平 均 風 速 剖 面 在 不 同 橫 向 位 置 (y 改 變 )變 化 並 不 顯 著 。而 在 橫 向 平 均 風 速 (
v /U 0
)方 面 (圖 5-9a)，樹 幹 部 區 域 風 速 較 高，而 枝 葉 部 區 域 風 速 幾 近 於 0。 而 中 心 線 風 速 最 低 ， 隨 著 往 外 側 移 動 ， 風 速 有 逐 漸 增 加 的 狀 況，且 對 稱 位 置 之 風 速 剖 面 亦 呈 現 近 對 稱 之 剖 面 特 性 。
由 縱 向 平 均 風 速 剖 面 圖 (圖 5-9b)可 以 得 知，樹 幹 部 區 域 風 速 為 負 值，主 因 為 樹 幹 形 成 馬 蹄 渦 造 成 流 場 下 掃，且 外 側 受 阻 擋 區 域 小，風 速 也 較 大 。 枝 葉 部 區 域 風 速 幾 乎 為 0， 且 越 外 側 位 置 受 到 側 向 風 場 影 響 ， 下 掃 的 程 度 越 大 。
另 比 較 中 心 線 風 速 剖 面 變 化 (圖 5-10a)， 位 置 分 別 為 緊 鄰 樹 木 下 游 (x/D=0)以 及 x/D=1 處 。 結 果 發 現 ， 越 往 下 游 ， 樹 幹 部 風 速 加 速 情 況 越 明 顯，最 高 風 速 可 達 0.7。x/D=1 受 到 枝 葉 部 遮 蔽 影 響 仍 舊 顯 著 ， 平 均 風 速 與 緊 鄰 樹 木 下 游 結 果 十 分 接 近 。
伍 、 紊 流 強 度
檢 視 順 風 向 紊 流 強 度 剖 面 發 現 (圖 5-8b)，在 枝 葉 部 區 域 內，中 心 點 位 置 (z=0)紊 流 強 度 最 小，約 在 10％ -25％ 之 間，而 近 地 表 處 為 整 體 紊 流 強 度 最 小 處。中 心 線 (y=0)較 接 近 二 維 特 性，其 紊 流 強 度 也 較 大 。
而 在 中 心 線 紊 流 強 度 變 化 部 分 (圖 5-10b)， x/D=1 在 樹 幹 部 紊 流 強 度 增 加 至 57％ 。 上 升 至 枝 葉 部 及 樹 冠 區 域 ， 紊 流 強 度 由 40％ 下 降 至 20％ ， 足 見 枝 葉 部 造 成 的 紊 流 消 散 程 度 達 50％ 。
陸 、 雷 諾 剪 應 力
檢 視 順 橫 向 雷 諾 剪 應 力 (
u 'v '
)剖 面 發 現 (圖 5-11a)可 得 知，樹 幹 部 中 心 二 側 (y
=4.67 cm)最 低 點 有 最 大 值 發 生 (約 1.5)。 而 在 枝 葉 部 ， 雷 諾 剪 應 力 幾 近 於 0， 到 了 樹 冠 位 置 才 略 有 提 昇 。 整 體 而 言 ， 對 應 位 置 之 順 橫 向 雷 諾 剪 應 力 剖 面 呈 現 相 當 良 好 之 對 稱 性 。在 順 縱 向 雷 諾 剪 應 力 (
u ' w '
)部 分 (圖 5-11b)， 樹 幹 部 區 域 呈 現 較 大 的 值 ， 到 了 枝 葉 部 下 緣 雷 諾 剪 應 力 為 0。 而 接 近 樹 冠 時 (z=6.73)，雷 諾 剪 應 力 急 遽 下 降 至 -1.5 左 右 ， 之 後 逐 漸 回 復 0 值 。
第五章 結果與討論
(a)平 均 風 速 剖 面 (b)紊 流 強 度 剖 面
第五章 結果與討論