第二章 內邊界層之風洞試驗
2.2 邊界層流的模擬
在風洞中地表附近的風場往往要求風洞中迫近流場(Approaching flow) 為中性穩定度之邊界層流(Neutral Boundary Layer Flow)，以滿 足模型實驗之初始條件的相似性，且迫近流場之邊壁必須滿足完全粗 糙(Completely rough)的條件：
z 25
Hunt & Fernholz (1975)指出邊界層流中的大尺度渦流可以影響 地表附近之紊流流場，所以除非有特殊模型尺度之考量，否則應盡可 能模擬整個大氣邊界層。於風洞內模擬大氣邊界層，原則上是在最短 吹程(Fetch)內建立所需的邊界層流，並且要求邊界層流在試驗區內維 持在平衡狀態(Equilibrium state)。一般而言，於風洞內鋪設粗糙元 (Roughness element)，讓邊界層自然生成，但此法需要十分長的試驗 段才能得到厚度夠厚的邊界層。所以，一般的風洞都在試驗段進口處 設置一些設施來加速邊界層的發展，這些設施可以分為：
(1)主動設施：譬如方向性射流(Directional jets)或逆向射流(Counter jets)。
(2)被動設施：譬如阻牆(Barrier)、渦流產生器(Vortex generator)、網格 (Grid)等來輔助紊流邊界層之形成。
目前較為常用的方法是採用被動設施來產生所需的邊界層流，亦
即在試驗段進口處設置阻牆(Barrier)或三角錐形(Spire)之渦流產生 器 ， 如 圖2 所 示 ， 試 驗 段 地 面 再 設 置 適 當 的 粗 糙 元 (Roughness elements)，再加以足夠長度的試驗段，便可發展出一穩定、平衡的邊 界層流所具有的平均風速剖面與紊流特性。關於阻流板與粗糙元之組 合問題，Peterka and Cermak (1974)指出對某一特定之渦流產生器，風 速剖面冪律指數α值所需之粗糙元是固定的。換言之，特定之渦流產 理，Irwin (1981)建議下列二個經驗式:
δ
Cf =
而粗糙元之高度ks及粗糙元間距d可從Wooding et al. (1973)結果得到
1/ 2 s
f
k d 2
exp 0.67ln 0.1161 2.05 C
式中κ = 0.4為von Karman常數，zdo 為零風面位移。Counihan (1971)之經驗式： 相當長，以供邊界層發展出夠厚的邊界層。依據 Cermak (1984)之建 議：風洞試驗段的長度應介於10 ~ 20δ，高度應大於 2δ，寬度應在 2
2.3 大氣邊界層流之模擬
位於台南縣歸仁的內政部建築研究所之迴路式風洞有兩個測試 區，第一測試區4.0 m × 2.6 m × 30 m (寬×高×長) ，最大風速為 37 m/s，測試區之上蓋板為可調整之曲面；第二測試區之尺寸為 6 m × 2.6 m × 20 m，最大風速為 20 m/s。而風扇之位置則位於第二測試區之 後，邊界層流之模擬實驗在第一測試區中進行。實驗中採用地表粗糙 元、阻牆和渦流產生器，如圖5 所示。
2.3.1 實驗配置
(1) 地表粗糙元：
粗糙元採用長方體狀(10 cm x 6 cm x 4 cm)之金屬塊及直立式木 板兩種形狀。長方體狀粗糙元的長、寬、高皆不相同，如圖 6 所示，
因此可以有三種不同的擺設方式，產生三種不同的粗糙元高度 (Roughness Height, R.H.)。本研究中長方體狀粗糙元採用直立式擺 設，粗糙元高度(R.H.=10 cm)。另一組採用直立式木板，粗糙元高度 (R.H.= 20 cm)。
粗糙密度(Roughness Density, R.D.)的定義為粗糙元佔地投影面 積與總面積之比值。可由粗糙元之排列間距(Space)來控制，本實驗採 用15公分和25公分之間距，改變前後與左右之排列間距，以控制粗糙 密度。
(2) 錐形渦流產生器：
為模擬不同地況下之大氣邊界層流，於研究中測試多組粗糙元、
2.4 量測結果
本實驗風洞之風扇轉速為120 Hz，平均風速約為 11.0 m/s。風速的量 測使用二維 X-type 熱絲探針(TSI, model 1243-20)和定溫式熱線流速 儀(TSI, IFA300)，可量測縱向（x 方向）和垂向（z 方向）的紊流風
(1) 平均風速剖面 料的樣本數(Sampling no.)，f = 1/∆ 為取樣頻率(Sampling frequency)，
頻率的因次為[1/T]，頻率常以 Hz 表示。
t T=N∆t
t
圖18、圖19、圖20分別為流況BL4、BL9、BL11在風洞試驗段的 中心線(y = 0.0 m)處下游距離x = 25.5 m之平均風速剖面圖。相對的，
圖21、圖22、圖23 分別為流況BL4、BL9、BL11的之平均風速剖面 以全對數方式表示，若以羃律(Power law)描述風速分佈分佈：
示此流況適用於都會地區。
圖19和圖22為流況BL9在不同風速（平均風速約為7.06 m/s、11.0 m/s、12.53 m/s）下的平均風速剖面圖，求得之指數α和梯度高度δ皆 十分接近，表示指數α和梯度高度δ不會隨平均風速而變。
(2) 紊流強度剖面
紊流速度的變化程度可以均方根(Root Mean Square, rms)速度表 示： (Turbulence intensity)代表紊流速度變化的劇烈程度：
%
w’/Uo隨著高度z增加而遞減。但無論在任河流況中其垂向紊流強度皆 小於縱向紊流強度。
(3) 流場側向的均勻性
流場的側向均勻性，如圖27至圖32所示。圖27、圖29、圖31分 別為流況BL4、BL9、BL11中，在兩個不同高度 z = 0.5 m、1.0 m平 均風速之側向分佈圖，此圖顯示此邊界層的平均風速在側方向的變異 並不大。第一測試區的寬度為4.0 m，但量測時熱絲探針的連接纜線 (cable)不夠長，僅能量測到距離中心線左右各1.0 m處。
圖28、圖30、圖32分別為流況BL4、BL9、BL10中，在兩個不同 高度 z = 0.5 m、1.0 m縱向與垂向紊流強度u’/Uo、w’/ Uo 之側向分佈 圖，由圖28可以發現在高度 z = 0.5 m處，縱向紊流強度約為13%、垂 向紊流強度約為5%；由圖30可以發現在高度 z = 0.5 m處，縱向紊流 強度約為13%、垂向紊流強度約為5%；在高度 z = 1.0 m處，縱向紊 流強度約為8%、垂向紊流強度約為3%；由圖32可以發現在高度 z = 0.5 m處，縱向紊流強度約為20%、垂向紊流強度約為6%；在高度 z = 1.0 m處，縱向紊流強度約在12%、垂向紊流強度約為5%。但基本上，
此邊界層流在側方向的均勻性極佳，故可視為二維邊界層流。
(4) 紊流頻譜
利用傅立葉轉換(Fourier transform)可將流速由時間域轉換至頻
頻譜密度函數(Spectral density function)定義為：
[
X (f) X (f)]
單位為Hz。柯莫葛洛夫(Kolmogorov)於 1941 年利用因次分析推導得 紊流流速頻譜有一段慣性次階(Inertial subrange)：
Su(k)=C1ε2/3 k1−5/3
式中ε為紊流動能消散率(Turbulent energy dissipation rate)，k1為波數 (Wave number)，C1為正比常數。柯莫葛洛夫所預測的-5/3斜率亦繪 於圖中，由圖中可發現量測得之紊流流速頻譜滿足柯莫葛洛夫所預
將紊流流速的自相關函數 R(Auto-correlation function)積分便可得到 積分時間尺度。積分時間尺度代表紊流流速的特徵時間。
圖36、圖37、圖38分別為流況BL4、BL9、BL11之縱向積分長 度尺度之分佈圖，其分佈情形類似紊流強度。而在近地層之外(z > 20 cm)，積分長度尺度隨著高度z增加而遞減；近地層之內(z < 20 cm)，
積分長度尺度隨著高度z增加而遞增。此結果符合Counihan (1975)：
積分長度尺度隨著粗糙長度增加而遞減。
2.5 分析結果
地表阻力係數(Drag coefficient)的定義為：U
2.6 結論
本研究針對中性穩定度之大氣邊界層流場進行模擬，綜合本研 究結果可得以下結論：
1. 研究中所模擬不同地表特徵之大氣紊流邊界層流之實驗結果，可 得指數α= 0.15 左右到 0.32 左右，相當於地勢平坦的海岸地區到 大城市的市中心區之大氣紊流邊界層流，故可提供日後風洞實驗 所需之模擬流場。
2. 各紊流構件對紊流邊界層特性之影響，由於各研究應用之裝置在 設計及特性上的差異，故其結果也有所不同，本部分歸納之結論 可作為基本模擬測試時紊流構件設計配置之依據。
但一般實際大氣之紊流結構甚為複雜，故將來風洞模擬可擴展到 非中性穩定度，屬密度成層效應之紊流邊界層流場，以擴大風洞實驗 之研究範圍。
第三章 高雄 85 層大樓建築風洞試驗
3.1 建築物概述
高雄85 層大樓位於高雄市苓雅區，在三多路以南，自強路以西，
新光路以北的區塊內，位置如圖 39 所示。建築物地面 85 層，高約 350 公尺。整棟建築物大致分為上下兩部分，下部從底層到第四十層，
其平面為長方形，南北長約 145 公尺，東西長約 53 公尺。上部從第 四十一層到頂層，平面為正方形，東西向長及南北向長均為50 公尺，
如圖 40 所示。整棟建築物的各向立面如圖 41。在下部的 13 層到 34 層之間有一東西方向的中間開口，建築師設置此中間開口的原意是要 符合容積率的要求，後來發現對於抗風方面也有很好的效果。
3.2 模型尺寸
模型圖如圖40（b）所示，模型比例採用 1/400。則模型正面寬約 36 公分，最高約 90 公分。最大投影面積約 2130 平方公分（未扣除 開口面積），置於2.4m × 6m 斷面之試驗段內，阻塞比約 1.5%。地 面轉盤直徑3.5 公尺如圖 42，可模擬大氣邊界層 1.4 公里直徑範圍內 的建築物與本大樓之交互影響。
3.3 模型材料
大樓本體以壓克力材料製作，表面埋設動態感應測點 256 點。底 盤以6 塊四尺乘八尺的六分木心板製成，木心板相互之間之接頭以木 工角邊挖槽機施作筍接，作成底板後置於轉盤之上。
3.4 表面壓力量測系統
本研究利用模型表面的壓力孔及RAD 3200 壓力感測模組量測 85 層大樓的表面風壓分佈。大樓表面之壓力孔與 RAD 間以塑膠管連 接之。本研究所用之 RAD 3200 風壓量測系統是由一個基本單元體 RADBASE 3200(圖 43)和 4 個 RAD A/D 3200 模組及一個 RDS 3200 所 組成，每個 RAD A/D 3200 連接一個含 64 個壓力感測器之 ZOC33 模 組，一個典型的 ZOC33 模組如圖 44 所示。為了避免塑膠管連接過長 影響訊號的準確性，故將ZOC33 模組置於大樓的模型之中，本研究 總共用了四個 ZOC33 模組，均置於大樓的模型之中。
壓力孔之分佈如圖 45 所示，分佈在模型之前後左右及頂面上，
總共有256 個表面壓力之量測點。壓力擷取頻率主要為 100Hz。所量 取之風壓資訊以電腦儲存處理後，以流場動壓無因次化，藉以了解建 築物表面的風壓分佈及變化，提供帷幕牆及風載重設計之參考。
3.5 實驗參數
實驗參數包含流況、流速及風向角等三項。流況分均勻流及模擬 都市風場之指數率為 0.32 之大氣紊流邊界層兩種情形。風速分 5.9m/s 、13.4m/s 及 20.8m/s 等三個。風向角則由 0 度至 180 度每 10 度量測一次風壓分佈，即總共19 個角度。風壓分佈以風壓除以流場 自由流之動壓所得之風壓係數表示之。自由流動壓所需之流速由皮托 管量得。
3.6 實驗結果與討論
a、流況對風壓之影響
圖46 與圖 47 分別為均勻流與大氣紊流邊界層兩種流況之風壓係 數分佈圖(風向角 0 度、迎風面)，兩者之流速均為 20.8m/s。由兩者之 比較，可知均勻流條件下之風壓係數較大，高樓的迎風面滯流點之位 置約大樓 1/2 高度之位置，開口附近之壓力較低。
相對的，在大氣紊流邊界層的條件下，表面風壓係數較均勻流者 低，滯流點之位置在接近高樓頂端之處，這皆是因為大氣紊流邊界層 之速度變化，是由地表之 0m/s 逐漸增至邊界層頂端之 20.8m/s 之故。
此外，在近壁面，有一明顯之低壓區，顯示騎樓風在有大氣邊界層時，
影響較大。另外，開口會使高樓在開口附近產生局部性之低壓，因此 有降低高樓整體風阻之效應，與預期之結果吻合。