試驗儀器設備

內政部建築研究所風洞實驗室風洞本體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，為東南亞目前最大之 建築風洞實驗室。

整個風洞本體具有兩個測試區段，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 2.6 m，置於可移動式軌道上，定位於距測試區入口端約 25.5m 或 31.5m 處，並以機械控制使其做旋轉及上下運動，以進行建築物受 風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試驗為主。第二測試區則配置一座旋 轉盤，位於風洞本體整流段出口 15m 處，轉盤直徑為 2.6 m，主要用途以橋 梁測試為主。

環境風場試驗於本實驗室第一測試段之第二旋轉盤進行，本測試段長 36.5 公尺、寬 4 公尺、高 2.6 公尺，最大風速為 30 公尺/秒。風洞頂部為可調 式上蓋板，以維持測試段壓力梯度為零，並將阻塞比降到最低。實驗室相應 性能參數與配置圖如圖 3-5 所示。

一、循環式風洞性能 (一)、風洞尺寸

測試段長度 36.5 m 測試段寬度 4 m

收縮比 4.7:1 (二)、驅動系統

總功率 500 kW

風扇型式 直接傳動軸流式風扇 風速控制 變頻器控制馬達轉速 (三)、風速

最高風速 30 m/s 邊界層厚度 最高 200 cm 紊流強度 測試區處約 2 %

(四)、順風向壓力梯度 零梯度由可調式上蓋板調整

圖 3-5 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 資料來源：【本研究整理】

二、風速量測設備 (一)、皮托管

本研究採用皮托管進行來流平均風速之量測，由皮托管所量測到的壓力 差值，利用伯努利方程式(Bernoulli equation)，即依據後式計算出相應之風 速。

(二)、熱線測速儀

來流風速剖面量測採用 Dantec 公司生產之熱線(hot-wire)測速儀進行。

所謂熱線測速儀是利用電流通過金屬導線時會使導線溫度升高，而當流體流 經金屬表面時會帶走部分熱量之原理來量測流體之速度。當探針(probe)所在 位置之電阻 R 值因溫度之改變而改變時，使得電橋失去平衡。本實驗室所有 之恆溫式流速儀，利用補償電路(compensating circuit)，因應流速之變動，對 流經探測元之電流做瞬間之改變來維持探測元之操作溫度固定不變(因而探 測元之電阻亦不變)，使電橋保持平衡狀態。如此即可經由回饋電壓的變化來 得知所要量測流場中流速之變化。實驗中，將測速儀裝設於可垂直與橫向移 動的移動機構，測針擺設位置均以電腦控制。

(三)、地表風速計

在進行行人環境風場試驗時，於風洞實驗中須定義行人高度的風場，在 風速的量測上，通常需要在不同的風向情況下，量測許多接近地表、不同位 置的測點。由於邊界條件的複雜，導致各測點風向的高度不準確性。再加上 紊流強度高，傳統之量測工具如皮托管與熱流速儀使用起來相當困難，其誤 差亦大。

本案之行人高度風速量測採用 Irwin[24]於 1981 年所發展出來的無方向 性地表風速計測器來進行，其原理是利用管與管中之細管(即管中管，內外兩 管共一中心軸，但內管突出較高)，兩者間之壓力差，參照預先率定之結果，

可迅速、正確地量測到行人高度上之水平方向風速。如下圖 3-6 所示。而其 風速計算方式如下式所示，其中 u 為風速，△P 為上述兩內外管之壓力差，

α、β則為公式常數。

進行試驗前須率定每個地表風速計(Irwin Probe) 之α、β值方能進行風 速計算，本研究以用三維動態皮托管進行率定，如圖 3-7 所示。將三維動態 皮托管探針放置接近地表風速計處，同時量測 8 個風速點，將動態皮托管及 地表風速計之壓力差繪製如圖 3-8 所示，進行線性迴歸即可得α、β值。

P u  

y = 2.3228x - 1.4321 R² = 0.9997

2 4 6 8 10 12 14 16

2 3 4 5 6 7 8

地表風速計壓力差(Pa)

三維動態皮托管風速(m/s)

圖 3-6 地表風速計剖面圖 資料來源：【24】

圖 3-7 使用動態皮托管校驗地表風速計 資料來源：【本研究整理】

圖 3-8 地表風速計校正回歸線 資料來源：【本研究整理】

(四)、壓力量測

上述之風速量測方法中，亦涉及壓力之量測。是本計畫採用多頻道電子 式壓力掃描閥，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。

本儀器為 SCANIVALVE 公司之產品，如圖 3-9 所示，其元件包括：

1.壓力訊號處理系統(RADBASE3200)

(1) 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) (2) 最多可支援 8 組壓力感應模組，共 512 個壓力量測點。

(3) 其類比訊號轉換成數位訊號(A/D convert)解析度達 16bit。

(4) 最大採樣速率可達 500Hz (5) 採用 USB 介面傳輸。

(6) 具備網路控制與傳輸功能。

2.壓力感應器模組特性：

(1) 壓力感應範圍為±10in H2O (2). 誤差範圍為±0.2%

實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 量得之訊號傳至壓力訊號處理系統計算後所得壓力值傳回電腦

圖 3-9 多頻道電子式壓力掃瞄器 資料來源：【本研究整理】

第 四 章 基 本 型 式 試 驗 結 果

本研究首先於風洞實驗室中以 B 地況分佈 58 個地表風速計進行高層建 築下游棋盤式街廓之風洞試驗，試驗時模型與地表風速計配置狀況如下圖 4-1 所示。以下就初步試驗結果說明如下。

圖 4-1 風洞試驗模型配置圖 資料來源：【本研究整理】

本研究主要探討棋盤街谷內外的之行人風場特性，研究數據皆以無因次 化平均風速型式呈現，本研究以大氣邊界層緣風速 Uh 為參考風速，各量測 點之平均風速為 Ui，各測點無因次平均風速為 Ui/Uh。研究成果以兩種型式 呈現，一為街谷中心線測點之無因次平均風速曲線圖，如圖 4-3 至圖 4-10 所 示；另一為無因次化之等值平均風速分佈圖，如圖 4-11 至圖 4-16 所示。

第一節 街谷內風速比曲線

本研究為利於探討棋盤式街谷內之風場特性變化將研究範圍內街谷加 以編號如圖 4-2 所示，圖中 L1~L4 分別為順風向各街谷編號，其中 L1 及 L2 為棋盤式街廓內順風向主要兩街谷，而 L3、L4 則為順風向棋盤式街廓外圍 部份。S1~S4 則分別為橫風向街谷，其中 S1 及 S2 為棋盤式街廓內橫風向主 要兩街谷，而 S3、S4 則為橫風向棋盤式街廓外圍部份。

本節就不同街谷探討其內行人高度之風場特性，分別以高層建築間距 S 及其與第一排街廓距離 L 為變數繪製成曲線圖，如圖 4-3 至圖 4-10 所示，圖 4-3 到圖 4-6 之橫軸為順風向街谷內地表風速計間距 Y 與街廓前高層建築物 深度 D 之無因次化，縱軸則為各地表風速計測得之平均風速與大氣邊界層風 速之無因次化，以下簡稱為風速比。圖 4-7 到圖 4-10 之橫軸順風向街谷內地 表風速計間距與街廓前高層建築物深度 D 之無因次比，縱軸則為風速比。

圖 4-2 風洞試驗模型街谷編號 資料來源：【本研究整理】

L 1 L 2 L 3

L 4 S 1 S 3

S 4 S 2

WIND

順風向街谷風速比

圖 4-3 為街谷 L1 之風速比曲線圖，其中(a)為高層建築與其後第一排街 廓之深度比(L/ D) =0.75， (b) (c) (d) 則分別為 L/ D =1、1.25 及 1.5，各圖又 分別以不同高層建築間距比 S/D =0.375、0.75、1.125、 1.5 及 1.875D 作為變 數。由圖(a)可以觀察當高層建築間距比(S/D)=0.375(3 cm)時由於三棟高層建 築幾乎是併排對下游街谷形成遮蔽效應，所以在 L1 的街谷內產生的風速比 相對偏低。將間距比(S/D)=0.75(6 cm)時街谷內的風速比則相對增加，特別是 進入街谷第 1 測點到第 6 測點範圍增加最為明顯。間距比增加至 S/ D =1.125 (9 cm)、1.5 (12 cm)及 1.875(15 cm)時街谷入口之風速比則接近 1。由圖 4-3(a) 亦可發現一個現象，隨著高層建築間距 S 的增加，在街谷 L1 中上游會之風 速比會隨著之增加，但在下游風速比則處於較低的現象，此一現象說明，當 來流風場(Approach Flow)通過高建築時因渠化效應兩建築間通道風速加快隨 之進入街谷 L1 內，除了間距比(S/ D) =0.375 (3 cm)，街谷內上游風速受前方 高層建築通道渠化效應加速影響使得風速比增加，但至下游處，則因能量消 散風速比逐漸不受前方高層建築通道影響。

高層建築與第一排街廓距離 L 為變數來看，L/D =0.75 (6cm)與 1(8cm) 曲線型態較為相近，風速比皆由上游往下游遞減。但 L/D =1.25 (10cm)與 1.5(12cm)則在街谷第第 5 個測點有風速突然增高的現象，其後再往下游銳減。

整體而言，L 越大即高層建築離後面街廓越遠，風速比曲線係逐漸下降。

圖 4-4 為街谷 L2 之風速比曲線，線型大致與 L1 相近，當高層建築間距 比 S/D=0.375 是風速比最低，S/D=0.75 時則略為提高，在間距比加大至 S/D

=1.125、1.5 及 1.875 時三者曲線相近，而其下游風速比則較 L1 街谷波動大。

另以高層建築與第一排街廓距離 L 來看，也是 L 越大即高層建築離後面街廓 越遠，風速比曲線係逐漸下降。

圖 4-5 與圖 4-6 則為街廓內之兩外側街谷 L3、L4 之風速比曲線，當 3 棟高層建築間距 S 小，L3、L4 街谷所受風場係來流風場(approaching flow ) 遇高層建築受阻擋向往兩側角隅移動之渦流，同時與另一波來流於角隅外側 處有較快的風速。因此，由圖 4-5 與圖 4-6 可以看出，當高層建築間距 S 小

時相對其他間距型態之風速比為大，當間距逐漸加大時外側街谷受到阻塞效 應影響風速比逐漸下降。同時，可以發現上游風速比最高其後逐漸減少，到 約第 3、4 個測點時風速最低，再往上增加。主要係因高層建築角隅渦流往下 游移動後，形成低速逆流與迴流風場，本研究推估街谷中第 3 或 4 個測點(接 近第 4 測點)，應為逆流區的低速點，之後再往下游稍增加速度移動。

橫風向街谷風速比

橫風向街谷部分，本研究將其分為 S1~S4 四條街谷 S1 與 S2 為試驗範圍 街廓中內部橫向街谷，S3 為高層建築與第一排街廓間之街谷，S4 則為下游 最外側橫向街口。理論上來講，橫向街谷由於受街廓建築物阻擋，順風向來 流較不易進入橫向街谷內，因此，橫向街谷之風速比應較緃向街谷來得小。

圖 4-7 為橫向街谷 S1 之風速比曲線，由(a)(b)可以看出在第 3 及第 6 測 點兩個突高的風速比，此兩點為橫向街谷 S1 與順風向街谷 L2 及 L1 之路口，

因此風速比有增加的現象。但此現象在(c)(d)兩曲線圖相對不明顯，此仍高層 建築物與街廓距離變大所致，而其風速比均在 0.3~0.4 附近波動，屬於低風速

因此風速比有增加的現象。但此現象在(c)(d)兩曲線圖相對不明顯，此仍高層 建築物與街廓距離變大所致，而其風速比均在 0.3~0.4 附近波動，屬於低風速