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第一章 緒 論 第一節 研究緣起與背景
一、研究背景
在評估建築物或結構物受風力作用下之表面壓力分佈、載重與動態反應 時，一般可採取理論計算、數值模擬與實驗方式等三種方式進行。其中理論 推導計算由於參與因素眾多且複雜，要應用於精確計算僅限於特殊狀況下，
實務應用較常適用於簡單外型或需快速粗略估算之情況，且通常會偏於保守 估計。而在數值模擬部分則須選用適當數值模型，配合建造合適之網格系統，
並須率定數值模式之正確性後才可進行模擬使用。然其計算耗時與其網格細 緻度、採用之紊流模式及流場條件等直接相關，若非簡易外型，常須使用大 量計算資源才可於預期時限內完成。因此在已有風洞設備之情況下，直接製 作縮尺模型進行風洞試驗量測為最常見且可直接獲得受風資訊之方式。但採 風洞試驗進行量測時亦須滿足各種條件，首先試驗縮尺相似性須滿足幾何相 似、動力相似與運動相似，以確保縮尺試驗之結果可經理論推算至實場狀況。
再者，試驗規劃之模型設計與製作須滿足相似縮尺要求，並於相應縮尺設定 之流場條件下進行測試。若試驗欲模擬之結構位於大氣邊界層流場內，由於 紊流邊界層內之渦流結構尺寸與地況相關，具有一定尺寸與比例，因此若僅 考慮指數律平均剖面將無法正確反應出該地況之紊流強度分布與其特徵長度 尺度，並對結構物之風壓與風載量測產生誤差，即若要在不同縮尺之大氣邊 界層流場下進行試驗，則應盡量建立相對應縮尺之地況。
二、研究目的
內政部建築研究所風洞實驗室擁有國內最大型之風洞實驗設備，其用途 可涵蓋氣動力試驗、汙染擴散試驗行人風場量測、建築結構風壓與風載量測、
氣彈力建築與氣彈力橋樑試驗等，於大氣邊界層流場條件，目前已建立 A、
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B 與 C 地況於 1/250 縮尺之地況擺設，若欲進行其他縮尺比例試驗，則需擴 充實驗室之地況擺設條件。由於各風洞之幾何外型、尺寸、設計曲線等不同，
現今僅有建議之概略形式，並無一體適用之方式，本研究將依相關文獻建議 方式，經重複量測與適當調整後，建議出內政部建築研究所風洞實驗室適用 之相關地況參數，並供未來調整地況參考。
第二節研究內容與方法
建立與調整風場地況在各實驗室皆為建立初期必進行之過程，原因顯而 易見，若在不當縮尺或不正確之風場條件下進行試驗，將得到非預期之結果。
文獻所提及之方法於數十年內並無太大變化，原因亦在於各實驗室尺寸不一、
斷面形式不同與風洞內之平整度等因素都將導致經驗公式略為改變，於前人 文獻中亦提及需依據量測後之結果進行調整，而調整方式多採以試誤法進行。
若可於此研究中建立出建研所風洞實驗室之經驗式，於未來將可參考此經驗 進行調整，因此本研究亦先採用文獻所建議之方式進行，本案所進行之風場 調整過程與試驗結果將可作為風洞實驗室之風場調整參考。
由於縮尺比例較小時，於風洞內將無法完整模擬設定邊界層之全貌，因 此本案目標將設定於部分邊界層模擬。使用較小縮尺比例一般代表目標物之 尺寸較小，進行試驗需要製作較大尺寸模型，在考量進行風洞試驗時，阻塞 比(blockage ratio)小於 5%之條件下，模型最大投影面積約在 0.5 m2左右，在 上述狀況下，研究設定至少在風洞半高內之風速剖面須滿足要求。另本研究 於調整地況將涉及大量實驗時間，而風洞之使用時段有限，本研究將盡量於 每月進行一周實驗與數據分析，分散實驗時間以避免影響風洞實驗室其餘研 究案與業務進行。
研究擬採文獻建議之三角渦流產生器與地面粗糙元組成地況產生元件，
必要時再加上阻牆以降低近地風速與增加紊流強度。三角渦流產生器以 Irwin 建議之剖 面指 數計算 ，地表粗 糙元 之幾何 尺寸與密 度 將 參考 相 關 文獻 (Wooding 等人、Counihan & Jia)提出之建議進行調整。本案除檢視原本風洞
第一章 緒 論
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實驗室現有之 1/250 比例外，預計額外建立兩組縮尺比例較大之地況，如 1/100 或 1/50 縮尺，以供未來相關研究使用。所建立之風速剖面資料包含：(1) 平 均風速剖面；(2) 紊流強度剖面；(3) 積分長度剖面；(4)風頻譜等四種基本資 料。除了風速剖面建立外，本案亦將選取一標準模型，藉由比對兩不同比例 地況條件下量測之壓力分佈，檢視不同縮尺風場之結果。
圖 1.1 研究流程圖
(資料來源：本研究整理)
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