第三章 試驗計畫與結果
第一節 試驗儀器及條件建立
一、試驗儀器：
(一) 風洞：
本所風洞本體(如圖 3-1 及圖 3-2)為一垂直向的封閉迴路系統，總長度為 77.9m，最大寬度為 9.12m，最大高度為 15.9m。整個風洞本體具有 2 個測試 區段，第一測試區中配置有 2 個旋轉盤，第一座旋轉盤直徑 1m，安置於距 測試區入口處 3m 處，從事一般流體力學研究；第二座旋轉盤直徑 3m，置 於可移動式軌道上，定位於距測試區入口端約 25.5m 處，並以機械控制使其 做旋轉及上下運動，將以建築物受風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試 驗為主，空風洞最大風速為 30 m/s。第二測試區則配置一座旋轉盤，其距離 風洞本體整流段出口 15m 處，轉盤直徑為 3m，主要用途以橋梁測試為主，
空風洞最大風速為 20 m/s。本次試驗於本試驗室第一測試段之第 1 旋轉盤進 行，並採均勻流方式進行，風扇轉速監測係由風洞操控面板控制馬達轉速，
並藉由控制台監測。
圖 3-1 風洞實驗館
（資料來源：本研究整理）
圖 3-2 風洞本體圖
（資料來源：本研究整理）
(二) 多頻道電子壓力掃描器
用來同步擷取作用於結構表面各點的瞬時風壓，經過適當的處理便可得到結 構系統所受之平均風力、擾動風力以及外牆所受之局部風壓。本研究所採用 之儀器為 SCANIVALVE 公司產品，其元件包括：
1. 壓力訊號處理系統(RADBASE3200)
a. 最多可支援 8 組類比訊號轉換成數位訊號之轉換器(A/D MODULE) b. 最多可支援 8 組壓力感應模組，共 512 個壓力量測點。.
c. 其類比訊號轉換成數位訊號(A/D convert)解析度達 16bit。
d. 最大採樣速率可達 500 Hz。
e. 採用 USB 介面傳輸。
f. 具備網路控制與傳輸功能。
2. 類比/數位模組(RAD A/D 3200 module)
a. 連接電子式壓力掃描模組並進行訊號轉換。b. 連接電磁式氣閥並控制壓力輸入模式。
3. 電磁式氣閥(MSCP Solenoid control pack) 4. 電子式壓力掃描模組(ZOC 33/64Px)
a. 具 64 組壓力輸入管
b. 量測範圍：±10 inH2O or ±1 psi or ±2.5 kPa。.
c. 量測精度：±0.15% 最大量測範圍。誤差範圍為±0.2%.
d. 資料擷取速度：40 kHz (單獨一點最大掃描速度)。
e. 輸出電壓：±2.5 V。
f. 操作溫度範圍：0 ℃ to 60 ℃。
g. 試驗中將各個風壓孔之壓力訊號經 PVC 管傳遞至壓力感應器模組，
其量得訊號傳至壓力訊號處理系統計算後所得壓力值傳回電腦。
5. 外接電源供應器
電磁式氣閥須另外接電源，供電需求為 24 伏特之直流電源。
6. 外接氣體壓力源
外接氣體之壓力須調整至 65 psi，若使用高壓鋼瓶氣體，則須確認高壓 鋼瓶內部壓力高於 200 psi 以避免鋼瓶內之雜質與水氣汙染儀器。
類比/數位訊號控制基座模組電子式 壓力掃描模組
電磁式氣閥 類比/數位訊號控制基座之電源供應器
USB 延長裝置 USB 延長裝置之電源供應器
外接電源供應器(電磁式氣閥用) 外接氣體壓力源
圖 3-3 多頻道電子壓力掃描器設備圖
（資料來源：本研究整理）
(三) 風速計及皮托管 努利方程式(Bernoulli equation)計算出相應之風速。計算式如下：
P1
圖 3-4 風速計及電源供應器 的產品單元長 1956mm×989mm 為參考（如圖 3-7），再依據去
（104）年度期末審查委員建議，採用一組 6 片光電板型式，單
作上的便利，本研究選用傾（仰）角 15、20 及 25 度（α）為 試驗條件，模型經縮尺後，如下圖 3-5 至 3-9 所示。安裝方式 以在 3 種常見屋頂上方設置型態為主，分為有女兒牆、無女兒 牆變化光電板 3 種傾斜角度（15°、20°、25°）變換不同支架高 度（平放於屋頂面、架高最高 1m），以及斜屋頂等 3 種模型，
屋頂傾斜角度為α=tan-1(3/10）≒16.7°。
4. 至於支架高度則選用低於 3m 的方式並以縮小尺寸鋁擠型固定 來進行模擬，該高度可隨光電板傾仰角(α)調整，當α=25°時，
後段支架為最高近 8cm，換算實際尺寸為 0.8m。本研究的支架 模擬以模擬形式為主，對於支架的細節與正確尺寸，則不在本 次的探討範圍。
5. 考量過去相關研究，變化不同來流風向角β（與來平行 0°、反 向平行 180°、45°），量測並探討迎風、背風、角隅等 3 處壓力。
6. 光電板的設置位置，在矩型建築物部分，以建築物屋頂前緣中 間位置為主，斜屋頂在於預設迎風面處架設。
7. 由於建築的型態以矩型為主，而去（103）年業就矩型建築物風 壓量測及模擬，瞭解迎風及背風壓力情形，因此，今年度的模 型就不再重複量測，而將重點著重於光電板的部分。至於斜屋 頂的的部分，該屋頂下方建築型態亦和矩型建築物同，所以該 部分也直接引用，作為後續進行分析。
8. 再透過計算分析，比對國內外文獻，計算推導出風阻形狀係數 Cp、CD、CL。
圖 3-5 矩型建築物主體模型參考標準圖 204 型
（資料來源：本研究整理）
圖 3-6 斜屋頂建築物主體模型參考標準圖 207 型
（資料來源：本研究整理）
圖 3-7 太陽能光電板模型（茂○公司為國內生產的的 XS-72 系列）
（資料來源：本研究整理）
圖 3-8 A 組矩型建築物築物主體模型圖
（資料來源：本研究整理）
圖 3-9 B 組矩型建築物-含女兒牆主體模型圖
（資料來源：本研究整理）
圖 3-10 C 組斜屋頂建築物主體模型圖
（資料來源：本研究整理）
(二) 實驗考量
1. 阻塞比影響
根據 Barlow et al.(1999，參考文獻)指出，風洞試驗中模型 的迎風面積與風洞的通風面積比值(阻塞比, Blockage ratio)，通 常介於 0.01~0.1 之間，一般皆以 0.05 為基準值；若阻塞比大 test −section area (測試段截面積)
其中
εt：總修正係數（Total Blockage）
εsb：固體阻塞修正係數（Solid Blockage）
εwb,t：尾流阻塞修正係數（Wake Blockage）
另外，同時依照 Hackett.(1999)所指，考慮到牆面壓力時，最終 為 2.6m(H)×4m(W)=10.4 ㎡，模型面積Am為：
風攻角角度 0°或 180°時，A、B、C之Am為 0.9m(H)×1.0 m(W)=0.9 ㎡，二者比值為Am / As=0.08<0.1，所以本研究之模
VC=VA×[1+1/4(1+0.122)]=1.281VA
不過由於本研究主要在探討光電板的風壓量測，因此，將風速 計架設在光電板模型同高的位置，對於建築物模型阻塞比影響，
即暫不考量。
3. 風壓量測
本研究為進行模型風壓量測，因此選用厚度 5mm 之透明壓 克力板膠結而成，並考量未來可進行光電板不同角度之壓力分 佈，將支架設置為可調整式，至於光電板的排列方式，則以常 見的 6 片組立方式進行，當然，也考量後續研究的便利性，組 立方式也可改為 3 片為一組的，共計 2 組的方式進行。至於壓 力孔位（可連接 0.04”的壓力管線），如前述每個光電板單元設 置計有 36 個孔位，6 個立面共計 216 個孔位。光電板相對位置 如圖 3-14
圖 3-11 矩型建築物與女兒牆模型圖
（資料來源：本研究整理）
90 100
90 100
8
圖 3-12 太陽能光電板模型壓力孔位
（資料來源：本研究整理）
光電板編號 A B C D E F 1 10 19 28 以此類推…
2 11 20 29 3 12 21 30 4 13 22 31 5 14 23 32 6 15 24 33 7 16 25 34 8 17 26 35 9 18 27 36
α
圖 3-13 斜屋頂與太陽能光電板位置圖
A、 B C 圖 3-14 模型試驗分組圖（A、B、C）
（資料來源：本研究整理）
(四) 均勻流場
本研究在均勻流風速剖面確認後無誤後，為使流場風速一致，模型吹試採用 10m/s，著手進行壓力量測，並依照分組進行。
壓力量測係採用 SCANIVAVLE 壓力掃描閥(Model ZOC 33/64Px 64-port, scan rate = 45 kHz)量測範圍為±2,490 Pa，數據準確度±0.15%量測範圍。U 依據孔 位數共使用了 4 個 module scanner，透過使用內徑 0.04”(1.1 mm)、長度 130cm 之 p.v.c 管，在風速 5、10m/s 情況下進行壓力分佈量測。
掃描取樣頻率設定為 256 Hz，擷取 32,768 筆數據，風速自 0m/s 開始至 5、
10m/s 穩定後，隨即開始量測，每次風向角量測擷取時間約為 3 分鐘，停止後在 進行角度變換，依序從 0°、45°、180°，資料經由類比/數位 AD 訊號擷取轉換後，
紀錄所有歷時資料，再透過相關繪圖軟體呈現風壓等值圖。
來流β=0°
來流β=45°
來流β=180°
1st
2nd 3rd
來流β=0°
來流β=45°
來流β=180°
1st 2nd
3rd
25cm
表 3-3 壓力量測設定數值
1. set chanX <input>：設定擷取之測點，X 表示第幾個 group(1~8)，一般以 1 表示，設定測點須照順序輸入。
3. set period <input>：設定掃描模組各點間之時間間距，其值範圍為
25~65535，單位為微秒，轉換成取樣頻率(sampling rate)之換算公式為：
10 6
input number：輸入值
number of channels：最大模組設定之測點數
set period 61 以單一模組 64 點計，本研究取樣頻率為 256Hz。
4. set conout <input>：設定擷取資料之表示方式顯示於螢幕或存為檔案。
set conout 3 儲存於檔案，檔名由 SCAN000.DAT 起始
量測風速剖面係使用熱線測速儀系統來進行，利用 Single-type 熱線測速探 針安裝在三維移動機構上，在距離測試段入口下游 2.8m 位置並距離地面高度 0.8m 起算（即第一迴轉盤中心）進行量測，取樣頻率為 250Hz，取樣數為 4096 筆資料，配合前述協同研究案所需之風速設定（來流風速為 1.02m/s、2.1m/s、
17.73m/s、23.4m/s），相關風速剖面圖如下，說明該風速自低速區至高速區流場 表現。至於紊流強度，則依風洞設備條件默認為紊流強度約 0.3%。
圖 3-15 均勻流場平均風速剖面圖
依照文獻（朱佳仁，2006）物體所受之阻力可由物體表面的壓力 P 與剪 應力τ以面積積分求得：
FD = � (P cos θ + τ sin θ)dA
A
式中θ為該點之壓力 P 與流向之夾角。升力則為：
FL = � (−P sin θ + τ cos θ)dA
A
物體所受之阻力和升力可以無因次的阻力係數(Drag coeffriciet)和升力係 數(Lift coeffriciet)表示：
CD = FD 12 ρU2A
CL = FL 12 ρU2A
其中FD為阻力，FL為升力，A為體垂直於流向的投影面積。物體的阻力 係數和升力係數與物體幾何形狀、風攻角、雷諾數、馬赫數皆有關。
依據文獻（陳若華，2012）所知或可由光電板傾（仰）角α及 Cp 逕行 推導。
CL = Cpsin α CD = Cpcos α