迫近流場

在風洞試驗段入口處佈放五個高度 1.6m 之三角狀錐板，緊接其後於試驗段 地面處佈置尺寸 6x4x10 立方公分之粗糙元素，並以間隔 10 公分交錯式排列，藉 可模擬出符合都市地形的迫近流場。圖 3-1 所示為在風洞實驗段之佈置照片。經 此佈置後所模擬獲得迫近流場之平均風速剖面結果示如圖 3-2。

0 0.4 0.8 1.2

Approaching flow Experimental Data n=0.314

0 10 20 30

I _U (%)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Z/Z _ref

Turbulence intensities

Experimental Data

圖 3-3 迫近流場之主流向紊流強度剖面 資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-3 結果顯示，在接近地面之紊流強度約為 26 %，依據 Counihan[22]研 究指出都市地形接近地面處之主流向紊流強度範圍為 20 % ~ 35 %。因此本實驗 模擬結果亦與 Counihan[22]研究分析實場量測之結果相符合。另外都市地形迫 近流場之主流向紊流強度分佈變化係呈現隨高度增加而逐漸減弱。

物均為相同大小之立體方塊，而每一個建築物立體方塊模型為長寬高均為 30 公 分。實驗量測針對兩種街谷寬度 S，包括 S=H 以及 S=0.5H，此處 H 為建築物高度，

另外當 S=H 時，並改變迫近流與街廓交角為 45^O。藉此分析研究不同街谷寬度之 街廓設計規畫，其風場風環境特性變化。

除了實驗量測風速風場變化外，本研究也配合數值模擬(計算流體力學 CFD) 方式，進行街廓風場計算。CFD 採用目前通用之 FLUENT 商用軟體為架構基礎，

模式中紊流部分則採用 Tominaga 等人[23]建議之 AIJ 準則，處理紊流動能以及 紊流能量消散問題。

3-2-1 風洞實驗量測

(1) 街廓風場分佈(街谷寬度 S=H，H 為建築物高度)

圖 3-4 顯示在街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，往下游處各 建築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。此處 U^H為上游高度 H 處之風 速。沿此軸線，建築物與街谷交錯出現，故圖中結果顯示在各街谷處 (XH=2.5，4.5，7)建築高度以下(Z/H<1)，平均風速相較於迫近流平均風速 (X/H=0)均明顯降低。但隨著 X/H 增加，各下游處平均風速剖面差異則不顯 著。

圖 3-5 顯示在街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=1)，往下游處 街街道街谷之平均風速分佈剖面變化。由於沿此軸線各下游處均為街道街

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

U/U

_H

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=1 Y/H=0

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-4 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)下游距離之平均風速剖面變 化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

U/U

_H

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=1 Y/H=1

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-5 沿著街道中心軸線(Y/H=1)下游距離之平均風速剖面變 化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-6 所示為在街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=2)，往下游處各建 築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。沿此軸線，建築物與街谷交錯出現，

故圖中結果顯示在各街谷處(XH=2.5，4.5，7)建築高度以下(Z/H<1)，平均風速 相較於迫近流平均風速(X/H=0)均明顯降低。

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

S/H=1 Y/H=2

X/H=0 築物高度)，亦即左右街谷沿風向下游，風場變化呈現渠化流現象(channel effect)。在街廓各排建築物前方，由於建築物阻擋效應，使該區風速均較左右 兩側之街谷風速為小。隨高度增加，在建築物高度 Z/H>1 以上，整體街廓風速分 佈係隨下游風向，風速遞減。

wind

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 1 2 3 4 5 6

0. 85

0.85

1 1

0.7 0.7

0.2 5 0.4

0. 25

- - - -

-1 1

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0

1 2 3 4 5 6 7

wind

0.9

1.05 1.05

1.05 1.05

1.2 1.2

0.6 0.75

0.75 0.6

- - - -

-wind

- - - -

--2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 1 2 3 4 5 6

1.46 1.46

1.31 1.31

wind

- - - -

--2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

1

2

3

4

5

6

7

處 Z/H>1，街廓右側街谷(Y/H=-1)之平均風速值相對高於同一下游位置街廓左側

-2.5

-2.5

-2.5

0 10 20 30 40

I_U (%)

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=1 Y/H=0

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-15 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游之主流向紊流強度 剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.16 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=1)，往下游之主流向紊流強度 剖面變化。該圖結果顯示沿此軸線各下游處均為街道街谷，但越往下游氣流 受鄰近建築物影響干擾，使得風場越顯得紊亂，故紊流強度均較迫近流紊流

0 10 20 30 40

I_U (%)

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=1 Y/H=1

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-16 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游之主流向紊流強度 剖面變化 S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.17 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=2)，往下游之主流向紊流強度剖 面變化。由於沿著該軸線，建築物與街谷相互接續，因此造成風場氣流紊亂，

影響所及，由該圖實驗量測結果顯示各下游街廓之紊流強度明顯相較迫近流 場之紊流強度增大。

0 10 20 30 40

I_U (%)

0 1 2 3 4

Z/H

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-17 沿著街廓中心軸線(Y/H=2)往下游之主流向紊流強度 剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

(2) 街廓風場分佈(街谷寬度 S=0.5H，H 為建築物高度)

圖 3-18 顯示在街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，往下游 處各建築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。沿此軸線，建築物與街谷 交錯出現，故圖中結果顯示在各街谷處(XH=2.25，3.75，5.5)建築高度以下 (Z/H<1)，平均風速相較於迫近流平均風速(X/H=0)均明顯降低。但隨著 X/H

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

U/U

_H

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=0.5 Y/H=0

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-18 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之建築物上方 及各街谷之平均風速剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-19 顯示在街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)，往下 游處街街道街谷之平均風速分佈剖面變化。由於沿此軸線各下游處均為街道 街谷，雖無建築物，但街谷寬度變窄，因此沿著下游鄰近建築物影響明顯呈 現。故其平均風速剖面變化與迫近流場有明顯差異。特別在 X/H=1.5 街谷

0.4 0.8 1.2 1.6 2

U/U_H

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=0.5 Y/H=0.75

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-19 沿著街道中心軸線(Y/H=0.75)往下游處之平均風速 剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-20 所示為在街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)，往 下游處各建築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。沿此軸線，建築物與 街谷交錯出現，故圖中結果顯示在各街谷處(XH=2.25，3.75，5.5)建築高度 以下(Z/H<1)，平均風速相較於迫近流平均風速(X/H=0)均明顯降低。

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

U/U

_H

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=0.5 Y/H=1.5

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-20 街廓中心軸線(Y/H=1.5)往下游距離之建築物上方及 各街谷之平均風速剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.21 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，往下游之主流向紊流強度 剖面變化。由於沿著該軸線，建築物與街谷相互接續，因此造成風場氣流紊 亂，影響所及，由該圖實驗量測結果顯示在 Z/H<2 以下範圍，各下游街廓之 紊流強度明顯相較迫近流場之紊流強度增大。

0 10 20 30 40

I_U (%)

0 1 2 3 4

Z/H

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-21 街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之主流向紊流強度 剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.22 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)，往下游之主流向紊流強 度剖面變化。該圖結果顯示沿此軸線各下游處均為街道街谷，但越往下游氣 流受鄰近建築物影響干擾，使得風場越顯得紊亂，故紊流強度均較迫近流紊 流強度大。

0 10 20 30 40

I_U (%)

0 1 2 3 4

Z/H

S/H=0.5 Y/H=0.75

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-22 街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離之主流向紊流強 度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.23 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)，往下游之主流向紊流 強度剖面變化。由於沿著該軸線，建築物與街谷相互接續，因此造成風場氣 流紊亂，影響所及，由該圖實驗量測結果顯示各下游街廓之紊流強度明顯相 較迫近流場之紊流強度增大。

0 10 20 30 40 50

I_U (%)

0 1 2 3 4

Z/H

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-23 街廓中心軸線(Y/H=1.5)往下游距離之主流向紊流強 度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

3-2-2 數值模擬風場以及街地風環境

近年來由於軟硬體的進步，電子計算機計算與資料處理速度大幅提升，利用 數值方法在計算機中對流體力學的控制方程式進行求解，從而模擬流場的變化，

使計算流體力學（computational fluid dynamics，簡稱 CFD）成為現今流體力學領 域的重要技術。目前在建築風工程領域 CFD 方法已經得到廣泛的應用，市面上

進行流固耦合運算。

FLUENT 以有限體積法(finite-volume method)為架構所建構出來的計算流體動 力學程式，以求解連續方程式與動量方程式。目前以數值模擬求解 Navier-Stokes equation 時，常見被實際工程應用使用者有：紊流模式之 Reynolds Averaged Navier-Stokes equation (RANS)、以及解非恆定流場之 LES 紊流模式。本研究進行 數值模擬計算兩種方法都使用。

計算之迫近流條件則採用第一節實驗量測之迫近流場平均速度剖面以及紊 流強度剖面。而計算方程組之閉合問題，其中紊流動能(turbulent kinetic energy)與 紊流能量消散率(turbulent energy dissipation)，分別參考 Tominaga 等人[23]依據 AIJ 建議準則而選用如下：

-1 0 1

0 0.5 1

0 0.5 1

x/H=2.25 x/H=3 x/H=3.75 x/H=4.5

z/ H

2 4 6

x/H=0 x/H=1.5 x/H=5.5

Experimental RANS LES

-1 0 1

圖 3-32 平均風速比較(y/H=0.75),S/H=0.5

資料來源: 本計畫實驗數據整理

較，參見圖 3-34~圖 3-36。數值模擬紊流強度在各下游斷面結果與實驗大致符合。

x/H=2.25 x/H=3 x/H=4.5

z/ H

2 4 6

x/H=0 x/H=1.5 x/H=5.5

Experimental RANS LES

x/H=3.75

0 0.5 1

x/H

y/ H

-2 0 2 4 6 8 10

-4 -2 0 2 4

U/U_H: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

圖 3-37 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，平均風速之等值分佈；

S/H=1 資料來源: 本計畫實驗數據整理

街廓建築物間距 S/H=1 時，街地風環境紊流強度之等值分佈數值模擬計算結 果示如圖 3-38。結果顯示在街廓第一排建築物前方迎風面處之紊流強度相對為 最大，而在後方第二排與第三排建築物迎風面處之紊流強度相對一排建築物前方 迎風面處之紊流強度係呈現降低現象。

x/H

y/H

-2 0 2 4 6 8 10

-4 -2 0 2

rms: 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

圖 3-38 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，紊流強度之等值分佈；

S/H=1 資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-39 為在街廓建築物間距 S/H=0.5 時，街地風環境平均風速之等值分佈。

與建築物間距 S/H=1 時之結果類似，街廓各建築前方處因下切氣流效應，因此相 對風速均變小。另外風沿著街廓左側(Y/H=1)與右側(Y/H=-1)之街谷，呈現渠化 現象，並以類似射流方式沿街谷下游方向吹出，而平均風速大小沿街谷下游逐漸 降低。相較建築物間距 S/H=1 時之結果，由於間距變小，亦即街道寬度變窄，渠 化現象在街谷風場之射流現象更為顯著。街廓中各排建築物後方因屏蔽效應 (shelter effect)出現之風影區(wind shadow region)，相較於建築物間距 S/H=1 時(亦即街道變寬時)，本案例街道變窄，因此其風影區亦隨之縮小。

x/H

y/ H

-2 0 2 4 6 8 10

-4 -2 0 2 4

U/U_H: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

圖 3-39 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，平均風速之等值分佈；

S/H=0.5 資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-40 所顯示為街廓建築物間距 S/H=0.5 時，街地風環境紊流強度之等值 分佈數值模擬計算結果。結果顯示在街廓第一排建築物前方迎風面處之紊流強度 相對為最大，而在後方第二排與第三排建築物迎風面處之紊流強度相對一排建築 物前方迎風面處之紊流強度係呈現降低現象。與建築物間距 S/H=1 時之結果比 較，由於間距變小，亦即街道寬度變窄，特別在街廓中各排建築物後方街道區域，

因前方建築物干擾風場氣流等影響效應，使得相較於建築物間距 S/H=1 時，亦即 街道變窄時，該等街道區域之風場紊流強度增加。

x/H

y/H

-2 0 2 4 6 8 10

-4 -2 0 2

rms: 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

圖 3-40 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，紊流強度之等值分佈；

S/H=0.5 資料來源: 本計畫實驗數據整理

第三節 街廓濃度擴散特性

都市地形之大氣邊界層通過建築物群以橫列縱列各三組 3 X 3 構成之街廓，

而污染排放源位於第一排建築物模型前方 H 距離處(H 為建築物高度)，以連續排 放氣懸性追蹤氣體，而排放源高度分別與建築物同高(H)。在前述條件下進行量 測分析街廓建築物週圍環境污染擴散之濃度分佈情形。實驗量測主要依據前章所 建置之實驗系統與技術以及實驗佈置，據以量測平均濃度場，並分析相關擴散特 性。排放源出口高度平均風速 U=4.3m/s，排放源之排放流量(discahrge flow rate)Q=5.942×10^-5(kg/s)，排放源口徑 D=0.0042m，排放源高度 H=0.3m。

實驗中所量測到平均濃度值 C，將採用排放源初始濃度 C 為參考濃度

散尺度

σ

_y，該擴散尺度代表污染在該水平方向之擴散範圍尺度大小。 平向濃度分佈呈現近似高斯分佈(Gaussian distribution)。

圖 3-41 在高度 Z/H=0.5，沿下游距離之各街谷之水平向濃度 剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

將各街谷之濃度剖面進行統計分析，求得水平擴散尺度。圖 3-42 所顯 示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，往下游距離之各街谷之水平 擴散尺度 sigma(y)變化。該圖結果呈現在沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，由第一個街谷(X/H=2.5)至第二個街谷(X/H=4.5)，水平擴散尺度 增加；再往下游第三個街谷(X/H=7)，水平擴散尺度則幾乎不增加。亦即在 第二街谷處污染擴散範圍最大。

圖 3-42 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，在高度 Z/H=0.5，往下 游距離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-43 為在高度 Z/H=0.5，沿下游在街廓之等濃度分佈變化。沿著 Y/H=-1.5 與 1.5 處各街谷呈現較高濃度聚集現象。

等值濃度分佈變化示如圖 3-44。沿著 Y/H=-2 處第一排建築物後方，該區街道呈

向濃度分佈呈現近似高斯分佈(Gaussian distribution)。

圖 3-45 在高度 Z/H=1，沿下游距離之各街谷之水平向濃度剖 面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-46 所顯示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=1，往下游距離 之各街谷之水平擴散尺度 sigma(y)變化。該圖結果呈現在沿著街廓中心軸線 (Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，由第一個街谷(X/H=2.5)至第二個街谷(X/H=4.5)，

水平擴散尺度稍稍增加；再往下游第三個街谷(X/H=7)，水平擴散尺度則略 降低。亦即在第一街谷與第二街谷處污染擴散範圍較大。

圖 3-46 沿著街廓中心軸線(Y/H=0) 在高度 Z/H=1，往下游距 離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-47 為在高度 Z/H=1，沿下游在街廓之等濃度分佈變化。濃度分佈顯 示沿街廓中心軸線，濃度往下游逐漸擴散。在此建築物高度處 Z/H=1，等濃 度值 C/C⁰=0.25 範圍涵括三棟建築與兩個街谷。

當迫近流場風向與街廓交角改變為 45^O時，圖 3-48 顯示在高度 Z/H=1，沿街 廓下游之等值濃度分佈變化。沿著街廓左側(Y/H=1)處街谷，在第二排建築物之

當迫近流場風向與街廓交角改變為 45^O時，圖 3-48 顯示在高度 Z/H=1，沿街 廓下游之等值濃度分佈變化。沿著街廓左側(Y/H=1)處街谷，在第二排建築物之

在文檔中 都市街廓空氣污染擴散與街地風環境評估之實驗研究 (頁 28-0)