第一章 緒 論
第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景
壹 、 研 究 緣 起
本 研 究 的 旨 在 於 探 討 氣 流 流 經 樹 木 的 流 場 特 性，尤 其 是 單 棵 至 於 單 排 多 棵 樹 木 引 致 地 表 粗 糙 度 改 變 所 形 成 的 內 邊 界 層 (Internal boundary layer)， 進 而 造 成 下 游 流 場 變 化 。 近 年 來 有 關 於 樹 林 植 被 層 風 場 的 研 究 ， 指 出 由 地 面 至 2~ 3 倍 樹 木 高 度 的 範 圍 屬 於 植 被 層 (Canopy Sublayer) ， 植 被 次 層 之 上 的 流 況 則 屬 於 近 地 層 (Surface Sublayer)。以 往 的 研 究 認 為 植 被 層 的 流 況 為 兩 種 不 同 流 場 所 組 成，其 一 為 樹 木 之 上 的 邊 界 層 流 (Boundary layer flow)影 響 的 流 場，另 一 為 樹 林 之 中 的 尾 流 (Wake flow)流 場。但 Raupach et al. (1996)認 為 植 被 層 中 的 流 場 應 屬 於 混 合 層 流 (Mixing layer flow)，並 非 邊 界 層 流。其 所 提 出 的 混 合 層 流 模 式 可 以 解 釋 在 森 林 植 被 層 中 所 觀 測 到 的 紊 流 特 性，譬 如 紊 流 強 度 、 雷 諾 剪 應 力 等 。
由 以 往 的 研 究 可 以 發 現，有 關 植 栽 風 場 研 究 多 針 對 樹 木 群 (森 林 ) 進 行 量 測 分 析，因 單 一 樹 木 風 場 具 有 非 均 一 及 非 等 向 性，難 以 系 統 化 分 析 探 討。本 研 究 希 望 藉 由 風 洞 實 驗 量 測 單 棵 樹 木 之 風 場 特 性，實 驗 中 採 用 2 維 熱 膜 探 針 量 測 模 型 樹 林 中 的 紊 流 流 速 ， 並 計 算 相 關 參 數 。 盼 能 建 立 風 場 通 過 樹 木 之 特 性 模 式 ， 並 將 相 關 模 式 引 入 數 值 模 擬 中 ， 使 其 成 為 有 效 評 估 都 市 微 氣 候 風 場 之 工 具 。
貳 、 研 究 目 的
本 研 究 之 目 標 有 如 下 四 項 ：
(1) 建 立 風 洞 實 驗 室 非 恆 定 風 場 量 測 實 驗 分 析 技 術 。
(2) 探 討 樹 木 透 風 風 阻 係 數 對 下 游 風 場 之 影 響 ， 並 尋 求 其 關 聯 性 。 (3) 建 構 風 場 通 透 樹 木 之 特 性 模 式 。
(4) 建 立 數 值 分 析 風 場 通 透 樹 木 之 風 場 模 擬 能 力 。
第 二 節 研 究 方 法 與 流 程
壹 、 研 究 方 法
本 研 究 之 工 作 包 括 風 洞 模 型 試 驗 、 模 式 建 立 及 數 值 模 擬 等 3 階 段 ， 茲 將 各 階 段 內 容 分 述 如 後 ：
(1) 試 驗 設 定 a . 來 流 風 況 ：
為 降 低 流 場 之 干 擾 因 子 以 及 簡 化 模 式 分 析，本 研 究 擬 於 均 勻 來 流 中 進 行 實 驗 量 測 ， 數 值 進 行 亦 採 用 同 樣 之 流 況 模 擬 之 。
b . 樹 木 模 型
本 研 究 初 步 採 總 高 度 (H)30 公 分 、 厚 度 (D)10 公 分 之 方 形 、 圓 形 柱 體 組 合 。 下 部 圓 柱 為 主 幹 部 分 ， 高 10 公 分 ， 以 鑄 鐵 製 作 。 上 部 為 枝 葉 部 分 。 模 型 整 體 相 應 於 風 洞 斷 面 之 阻 塞 比 低 於 4%。
c .
量 測 位 置
○
1
緊 鄰 樹 葉 部 下 游 5 公 分 配 置 間 距 5 公 分 之 8×8 之 格 點 量 測，共 64 個 點 ， 以 建 立 數 木 通 透 阻 力 係 數 (CD)之 空 間 分 佈 。○
2
下 游 1D 位 置 量 測 橫 風 向 與 垂 直 向 風 速 剖 面 線 ， 共 6 條 剖 面 線 ， 作 為 數 值 模 擬 結 果 比 對 之 依 據 。(2) 三 維 數 值 模 式 建 立
本 驗 初 步 建 立 一 套 三 維 ， 在 改 變 不 同 寬 高 比 (B/H=1、2、4、6)的 狀 況 下 ， 觀 察 本 模 式 應 用 於 樹 木 模 擬 的 合 理 性 與 相 關 性 。
(3) 研 究 步 驟
a . 風 洞 模 型 試 驗
○
1
試 驗 設 施 規 劃 與 設 計 。○
2
模 型 與 試 驗 模 型 製 作 。 b .模 式 建 立
○
1
試 驗 數 據 分 析 。○
2
樹 木 通 透 模 式 建 立 。第一章 緒 論
○
3
數 值 模 式 引 入 分 析 並 與 風 洞 試 驗 比 對 修 正 。 c . 數 值 模 擬○
1
數 值 模 式 發 展 。○
2
模 式 測 試 。○
3
數 值 計 算 結 果 比 對 與 驗 證 。○
4
資 料 整 合 分 析 。 貳 、 研 究 流 程本 研 究 利 用 風 洞 實 驗 結 果 分 析，將 建 立 樹 木 風 場 通 透 模 式 引 入 數 值 計 算 中 ， 逐 步 建 立 方 場 通 透 樹 木 模 式 ， 並 以 風 洞 試 驗 結 果 交 互 驗 證。於 此 將 研 究 流 程 分 為 3 個 階 段，計 有 4 個 工 作 項 目，工 作 流 程如 圖 1-1所 示 ， 各 工 作 項 目 內 容 茲 分 述 如 後 ：
(1) 資 料 蒐 集：蒐 集 國 內 外 有 關 風 場 中 森 林、樹 林 及 樹 木 等 研 究 文 獻 ， 包 含 實 場 量 測 、 風 洞 試 驗 及 數 值 模 擬 等 資 料 。
(2) 模 式 初 建 ： 針 對 簡 化 外 形 及 均 勻 樹 葉 分 布 之 樹 木 進 行 風 洞 試 驗 ， 將 樹 木 視 為 均 勻 分 布 之 孔 隙 介 質 ， 藉 由 風 洞 試 驗 量 測 ， 建 立 流 場 通 透 模 式 ， 並 比 對 探 討 數 值 模 式 之 下 游 流 場 變 化 。
(3) 增 加 模 式 個 案 ： 針 對 不 同 造 型 、 樹 種 之 樹 木 進 行 風 洞 試 驗 及 數 值 模 擬 ， 建 立 風 場 通 透 樹 木 模 式 ， 並 尋 求 其 關 聯 。
(4) 建 築 物 試 驗 ： 設 計 建 築 表 面 風 壓 試 驗 ， 初 步 擬 以 高 寬 比 2 之 方 型 柱 體 為 標 的 。 探 討 周 圍 植 栽 對 建 築 減 風 效 應 之 效 果 ， 並 對 數 值 模 式 結 果 予 以 驗 證 。