第三章 研究方法
第二節 西爾伯特-黃（HHT）數據分析
訊 號 的 描 述 通 常 最 重 要 也 是 最 基 本 的 參 數 為 時 間 與 頻 率 ， 頻 率 域 的 訊 號 結 果 可 以 反 應 訊 號 本 身 一 些 特 性 ， 但 是 時 間 域 的 訊 號 具 有 較 佳 的 直 觀 性 。 風 洞 實 驗 的 數 據 多 為 非 穩 定 （ non-stationary ） 、 非 線 性（ non-linear ）的 時 間 序 列 資 料。一 般 傳 統 將 時 間 序 列 上 資
第三章 研究方法
HHT 的 轉 換 過 程 透 過 EMD 的 過 程 將 訊 號 轉 換 成 有 限 個 IMF，而 每 個 IMF 的 意 義 為 具 有 單 獨 物 理 意 義 的 訊 號 分 量 ， 其 中 每 一 個 IMF 的 每 一 點 時 間 都 只 有 單 一 頻 率 ， 進 一 步 可 以 讓 每 一 個 瞬 時 頻 率 都 具 有 物 理 意 義 。
經 由 EMD 的 過 程 每 一 個 IMF 必 須 滿 足 兩 個 條 件
1.整 個 IMF 訊 號 內 極 值 點 的 數 量 與 通 過 0 點 的 個 數 差 必 須 要 小 於 1 個 。
2.在 整 段 IMF 訊 號 所 形 成 的 上 下 包 絡 線 平 均 值 必 為 0。
EMD 在 拆 解 訊 號 的 過 程 是 直 接 與 自 適 應 性（ adptive）整 個 過 程 不 需 要 像 小 波 函 數 一 樣 先 設 基 底 函 數 ， 其 基 底 函 數 是 由 訊 號 本 身 產 生 ， 不 同 的 訊 號 會 產 生 不 同 的 IMF， 而 每 一 個 IMF 都 包 含 了 真 實 的 物 理 量 。 且 EMD 過 程 有 濾 波 的 功 能 ， 訊 號 經 過 EMD 的 方 式 分 解 出 有 限 個 IMF 訊 號 組 ， 其 訊 號 頻 率 由 低 到 高 。 因 此 其 EMD 方 式 是 類 似 高 通 濾 波 器 ， 其 截 止 頻 率 與 帶 寬 都 隨 著 不 同 訊 號 而 改 變 。
模型高度為 6D 之方柱在雷諾數為 1.82×105情況下，Y 方向風力時序列 資料如圖 3-7 所示，經由 EMD 過程可以拆解成 25 個 IMF 結果，圖 3-8 為部分 IMF 拆解結果，其頻率分佈由高頻到低頻，將所得到 IMF 的經由快速傅力葉 結果發現 IMF6 分量所佔能量較高，其主要頻率大小約為 15.82HZ，將 IMF6 進行西爾伯特轉換，將時間域資料轉換成時間頻率域結果如圖 3-11 所示。
第三章 研究方法
圖 3-8 高 寬 比 為 6D 於 Re=1.82×10
5時 Y 方 向 風 力 資 料
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第三章 研究方法
圖 3-9 H=6D 方 柱 模 型 Y 方 向 向 風 力 數 據 之 IMF 結 果
(資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 )圖 3-10 H=6D 方 柱 模 型 IMF 之 快 速 傅 力 葉 結 果
(資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 )第三章 研究方法
圖 3-11 H=6D 方 柱 模 型 西 爾 伯 特 轉 換 結 果
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理
）
U w
v u I
T . = ( (
rms2+
rms2+
rms2) / 3 ) /
2
u
'u
rms= v
rms= v
'2w
rms= w
'2本 研 究 風 洞 試 驗 除 了 在 均 勻 流 場 狀 態 下 試 驗 外 也 將 在 紊 流 場 下 進 行 試 驗，其 所 用 紊 流 場 為 98 年 度 協 同 研 究 案 中 所 建 立 之 格 柵，圖 3-11 為 其 格 柵 安 裝 示 意 圖，安 裝 後 利 用 熱 線 測 速 儀 搭 配 小 型 移 動 機 構 進 行 紊 流 強 度 量 測 ， 將 熱 線 測 速 儀 所 量 得 電 壓 經 由 校 正 方 程 式 轉 後 得 到 風 速 資 料 ， 進 行 紊 流 強 度 （ T.I.） 計 算 ：
第三章 研究方法
圖 3-12 本 所 98 年 度 協 同 研 究 中 所 建 置 紊 流 場 格 柵 示 意 圖
（ 資 料 來 源 ： 本 所 98 年 協 同 研 究 案 ）
圖 3-13 紊 流 場 產 生 格 柵 架 設 於 風 洞 現 況
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
在 本 風 洞 第 一 測 試 區 第 一 迴 轉 盤 上 量 測 得 到 紊 流 強 度 約 為 10
％，其 紊 流 強 度 分 佈 如 圖 3-14 所 示，本 研 究 將 利 用 此 紊 流 場 將 高 寬 比 為 6 不 同 開 口 位 置 之 模 型 架 設 於 迴 轉 盤 上 進 行 受 風 力 量 測 ， 預 計 將 使 用 之 雷 諾 數 約 為 105， 並 利 用 與 均 勻 流 相 同 資 料 擷 取 設 備 及 取 樣 條 件 進 行 風 洞 試 驗 。
第三章 研究方法
圖 3-14 格 柵 後 方 2.7 米 處 所 量 測 得 到 紊 流 強 度 分 佈 資 料
(資 料 來 源 ： 本 所 99 年 協 辦 案 期 中 簡 報 資 料 )第四章 風洞實驗結果討論
Flow angle 0
第四章 風洞實驗結果討論
Flow angle 30度
1.06 1.065 1.07 1.075 1.08
0 1 2 3 4 5 6
Z/D
Cd
當 模 型 透 過 迴 轉 盤 旋 轉 後，風 向 角 變 為 30 度 時，在 相 同 流 速 下 進 行 相 關 試 驗 。 圖 4-4 為 平 均 阻 力 係 數 結 果 ， 發 現 其 平 均 阻 力 係 數 都 略 微 下 降 ， 而 開 口 位 置 在 4Ｄ 及 5Ｄ 時 平 均 阻 力 係 數 約 為 1.07， 較 風 向 角 為 0 度 時 略 低 。 相 較 於 風 向 角 0 度 時 擾 動 阻 力 係 數 也 有 下 降 ， 結 果 如 圖 4-5 所 示 ， 在 開 口 高 度 3Ｄ 時 ， 擾 動 係 數 大 於 0.08， 其 餘 開 口 高 度 皆 低 於 0.08。升 力 係 數 結 果 如 圖 4-6 所 示，由 結 果 可 以 發 現 升 力 略 大 於 風 向 角 0 度 時 ， 開 口 高 度 2Ｄ 與 4Ｄ 時 ， 升 力 係 數 約 為 -0.03。圖4-4 風向角 30 度時不同開口高度平均阻力係數
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
Flow angle 30度
第四章 風洞實驗結果討論
0.074 0.075 0.076 0.077 0.078 0.079 0.08 0.081
0 1 2 3 4 5 6
Z/D
Cd'
圖4-8 風向角 60 度時不同開口高度擾動阻力係數
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
0.082
第四章 風洞實驗結果討論
圖4-13 紊流場下風向角 30 度時不同開口高度擾動阻力係數
第四章 風洞實驗結果討論
Flow angle 60度
0.11 0.111 0.112 0.113 0.114 0.115 0.116 0.117 0.118
0 1 2 3 4 5 6
Z/D
Cd'
圖4-16 紊流場下風向角 60 度時不同開口高度擾動阻力係數
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
Flow angle 0
第四章 風洞實驗結果討論
0.236 0.238 0.24 0.242 0.244 0.246 0.248 0.25 0.252
0 1 2 3 4 5 6
Z/D
Cd'
圖4-21 均勻流場下風向角 30 度時不同開口高度擾動阻力係數
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
第 四 節 不 同 開 口 高 度 對 橫 風 向 渦 流 溢 放 之 影 響
本 研 究 將 不 同 開 口 高 度 模 型 於 均 勻 流 場 及 紊 流 場 中 所 測 得 之 橫 風 向 風 力 進 行 快 速 傅 力 葉 轉 換 ， 以 進 一 步 瞭 解 開 孔 位 置 對 於 渦 流 溢 放 流 場 結 構 影 響 。 圖 4-22 至 4-26 為 均 勻 流 場 下 ， 不 同 開 口 高 度 位 置 橫 風 向 風 力 進 行 快 速 傅 力 葉 轉 換 結 果 ， 由 圖 上 可 以 觀 察 出 ， 開 口 高 度 於 1 Ｄ 時 ， 有 一 個 主 要 特 徵 頻 率 約 為 12.9Ｈ z， 所 得 之 史 特 數 (St)約 為 0.14。當 開 口 高 度 為 2Ｄ 時 有，兩 個 振 幅 較 大 頻 率 為 9.16Ｈ z 與 25.52 Ｈ z；開 口 高 度 上 升 至 離 底 面 3Ｄ 至 5Ｄ 時，快 速 傅 力 葉 結 果 為 9.02Ｈ z 能 量 表 現 較 為 明 顯 ， 但 其 振 幅 大 小 因 高 度 上 升 而 有 遞 減 趨 勢 。
圖4-22 均勻流中心開孔位置高度為 1Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-23 均勻流中心開孔位置高度為 2Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-24 均勻流中心開孔位置高度為 3Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
圖4-25 均勻流中心開孔位置高度為 4Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-26 均勻流中心開孔位置高度為 5Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
果 可 以 觀 察 出 ， 當 開 口 高 度 1Ｄ 時 ， 能 量 較 高 的 頻 率 約 為 4.93Ｈ Ｚ ， 且 9.02Ｈ Ｚ 也 相 當 明 顯；開 口 高 度 升 至 2Ｄ 時，4.02、6.06 及 10Ｈ Ｚ 振 幅 當 很 明 顯，並 無 明 顯 之 特 徵 頻 率 出 現；當 開 口 高 度 為 3Ｄ 時，4.5 Ｈ Ｚ 及 6.9Ｈ Ｚ 振 幅 較 為 明 顯；開 口 高 度 達 到 5Ｄ 時，振 幅 較 大 頻 率 為 7.2Ｈ Ｚ 及 12.8Ｈ Ｚ 。
圖4-27 紊流中心開孔位置高度為 1Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
圖4-28 紊流中心開孔位置高度為 2Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-29 紊流中心開孔位置高度為 3Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-30 紊流中心開孔位置高度為 4Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-31 紊流中心開孔位置高度為 5Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
當 開 口 位 置 移 至 相 當 靠 近 模 型 側 壁 ， 在 均 勻 流 場 下 進 行 模 型 受 風 力 實 驗 ， 將 所 得 到 之 橫 風 向 風 力 進 行 頻 譜 分 析 ， 不 同 口 高 度 結 果 如 圖 4-32 至 4-36 所 示。開 口 高 度 2Ｄ 時，頻 率 2.88 及 9.02Ｈ Ｚ 能 量 較 其 他 頻 率 明 顯；高 度 上 升 至 3Ｄ 時，主 要 特 徵 頻 率 約 為 8.7Ｈ Ｚ。開 口 高 度 為 4Ｄ 時 ， 2.8Ｈ Ｚ 振 幅 較 為 明 顯 ， 當 高 度 為 5Ｄ 時 ， 2.88 及 8.8Ｈ Ｚ 能 量 較 其 他 頻 率 明 顯 。
圖4-32 均勻流開孔位置於一側高度為 1Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-33 均勻流開孔位置於一側高度為 2Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-34 均勻流開孔位置於一側高度為 3Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
圖4-35 均勻流開孔位置於一側高度為 4Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-36 均勻流開孔位置於一側高度為 4Ｄ時橫風向受力 FFT
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第 五 節 西 爾 伯 特 - 黃 轉 換 部 分 結 果
本 研 究 數 據 處 理 上 除 了 平 均 升 阻 力 觀 察 外 ， 亦 將 時 序 列 資 料 透 過 西 爾 伯 特 -黃 分 析 比 較 ， 目 前 先 將 高 寬 比 為 6D 無 開 口 之 橫 方 向 風 力 資 料 進 行 西 爾 伯 特 -黃 轉 換 ， 圖 4-8 為 入 口 流 速 8.4m/s 下 ， EMD 方 法 所 拆 解 出 來 IMF 結 果，經 由 快 速 傅 力 葉 結 果 發 現 IMF9 之 能 量 較 強，其 結 果 如 圖 4-9 所 示，主 要 頻 率 約 在 11.97m/s，經 由 西 爾 伯 特 轉 換 結 果 如 圖 4-10 所 示 ， 圖 上 可 以 發 現 測 向 渦 流 溢 放 訊 號 為 一 非 穩 態 訊 號 。
圖4-37 入口流速 7.4m/s 時，方柱橫風向風力之部分 IMF 結果
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
圖4-38 方柱部分 IMF 經由快速傅力葉轉換結果
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
圖4-39 風速為 7.4m/s 時，IMF9 經由西爾伯特轉換後結果
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
上 可 以 發 現 渦 流 溢 放 訊 號 較 為 明 顯 ， 主 要 特 徵 頻 率 約 13.4HZ。
圖4-40 風速為 12.3m/s 時，經由西爾伯特轉換後結果
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第四章 風洞實驗結果討論
-30
第四章 風洞實驗結果討論
第五章 結論與
第五章 結論與建議
第 一 節 結 論
（ 1） 方 柱 模 型 開 口 位 置 高 度 會 對 於 升 阻 力 係 數 有 相 當 程 度 影 響 ， 當 開 口 位 於 迎 風 面 中 心 時 ， 開 口 高 度 4Ｄ 時 ， 無 論 在 均 勻 流 場 或 紊 流 場 狀 態 下，對 模 型 阻 力 係 數 有 下 降 的 趨 勢，此 結 果 與 三 維 方 柱 迎 風 面 停 滯 點 高 度 約 為 模 型 高 度 2/3 位 置 物 理 現 象 符 合 。
（ 2） 當 不 同 開 口 高 度 針 對 於 不 同 風 向 角 度 ， 其 阻 力 係 數 有 一 定 程 度 影 響。當 風 向 角 為 30 度 時，於 紊 流 場 時 開 口 高 度 在 3Ｄ 時 阻 力 係 數 較 大；當 風 向 角 為 60 度，在 均 勻 流 場 下 開 口 高 度 4Ｄ 阻 力 係 數 較 小 ， 於 紊 流 場 下 開 口 高 度 3-5Ｄ 都 平 均 阻 力 係 數 相 較 於 開 口 高 度 1Ｄ 及 2 Ｄ 低 。
（ 3） 模 型 於 一 側 不 同 高 度 開 口 時 ， 於 均 勻 流 場 狀 下 ， 最 大 平 均 阻 力 係 數 發 生 於 高 度 4Ｄ 位 置 ， 此 結 果 與 中 心 開 口 差 異 性 較 大 ， 可 進 一 步 重 複 相 關 實 驗 進 行 確 認 。
（ 4） 橫 風 向 風 力 頻 譜 在 不 同 開 口 位 置 時 ， 其 主 要 特 徵 頻 率 都 有 所 差 異，而 開 口 位 置 在 迎 風 面 中 心 或 靠 近 側 壁 都 有 明 顯 不 同。目 前 結 果
待 整 理 歸 納 。
（ 5）由 方 柱 西 爾 伯 特 -黃 結 果 可 以 發 現，影 響 方 柱 測 向 力 變 化 之 主 要 流 場 結 構 為 渦 流 溢 放，但 時 頻 資 料 上 發 現，渦 流 溢 放 的 情 況 並 非 連 續 ， 而 是 一 個 非 穩 態 的 流 場 情 況 。
（ 6） 不 同 開 口 壓 力 分 佈 結 果 可 以 發 現 ， 再 開 口 高 度 4Ｄ 及 5Ｄ 時 ， 入 口 0.2Ｄ 之 側 表 面 及 下 表 面 都 有 相 對 較 強 負 壓 力 ， 相 對 於 模 型 內 部 有 吸 氣 的 作 用，如 高 層 建 築 物 外 型 開 口 在 高 為 位 於 接 近 樓 頂 時，可 以 用 此 負 壓 區 內 部 抽 氣 作 用 ， 達 到 內 部 空 氣 流 動 的 效 果 。
第 二 節 建 議
1.立 即 可 行 建 議 :
確 認 風 洞 實 驗 相 關 條 件 之 正 確 性，並 進 一 步 利 用 不 同 儀 器 驗 證 橫 風 向 溢 放 頻 率 。
主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所
（ 1） 目 前 對 該 流 場 有 初 步 認 識 ， 可 將 所 得 數 據 進 一 步 進 行 交 叉 比 對 ， 確 認 在 開 口 位 置 與 風 向 角 度 影 響 。
第五章 結論與
（ 2） 均 勻 流 場 渦 流 溢 放 頻 率 可 藉 由 熱 線 測 速 儀 在 模 型 側 邊 進 行 量 測 比 對 ， 確 認 渦 流 放 頻 率 ， 並 與 六 力 平 衡 儀 數 據 印 證 。
2.遠 程 建 議 ：
增 加 相 關 實 驗 次 數 累 積 足 夠 資 料 庫，並 進 行 不 同 紊 流 強 度 數 據 可 供 設 計 參 考 。
主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所
（ 1） 累 積 較 多 風 向 角 度 與 開 口 位 置 數 據 ， 可 將 資 料 格 整 理 並 提 供 建 築 設 計 時 參 考 。
（ 2） 增 加 不 同 紊 流 強 度 的 流 場 型 態 ， 確 認 紊 流 場 對 不 同 開 口 高 度 模 型 影 響 。
參考書目
參 考 書 目
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參考書目
特 性 』， 國 立 中 興 大 學 土 木 工 程 研 究 所 ， 碩 士 論 文 ， 林 呈 教 授 指 導 ， 台 中 。
19. 內 政 部 ， 2007 年 『 建 築 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 』
19. 內 政 部 ， 2007 年 『 建 築 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 』