邊界條件設定

四、不同樓層

如圖3.7，本研究針對不同樓層高度，進行單面與雙面通風效能之 比較。

樓層 單面 雙面

1F

3F

5F

圖 3.7 不同樓層示意圖

一、計算域尺寸

計算域的設定時，因建築物週遭的風場與建築物的幾何形狀、地 物配置等皆有密切的關係，故必須將主建築物及週遭 3 倍建築物長度 與寬度為半徑範圍內網格化後再輸入數值。而上邊界之大小則須為 5 倍主建築物高度(如圖 3.8)。

圖 3.8 計算域設定說明

圖 3.9 計算域尺寸

二、邊界條件

CFD 的基本程序中，計算流場時需要將計算範圍內的空間配合正 確的邊界條件設定，利用數值方法求取數值解，所謂邊界條件即是在 計算域的邊界上進行設定。風速一般是指空氣水平流動的速度，以每 秒公尺(m/s)表示，而地表附近之風速，由於受地表摩擦作用影響，使 平均風速之分布形成一垂直分布的曲線，愈接近地面風速愈小。建築 物的高度、植栽的種類、地形的起伏等，均會改變地表之摩擦情形而 影響風速之分布。高層建築密集的都會地區，隨高度增加而風速增加 較慢，而農村地區，隨高度增加而風速增加較快。此地表附近風速分 布受地表粗糙狀況影響之範圍稱為大氣邊界層。大氣邊界層內風速分 布，目前以指數律及對數律分布較為普遍。因此，為求模擬能夠更切 實際，在入風口設定條件上，本研究以風梯度作為入風口邊界條件之 設定，較符合實際狀況(如圖 3.10、3.11)。

圖 3.10 邊界條件-風梯度示意圖 圖 3.11 邊界條件-計算域

其中，在不穩定的大氣狀態下，地表附近空氣之流動由於受到地 形起伏、建築物等分布之摩擦作用影響，使平均風速形成一垂直分佈

之速度剖面，越近地表面則風速越小，一般稱此種受地表粗糙度等因 素影響之範圍為所謂大氣邊界層或混合層且大氣穩定度對風場中的大 氣擴散、污染物的傳輸影響較大，一般而言，平均風速的垂直風向分 布可以較簡單的指數或對數剖面表示(式 3.11)

α

δ ^⎟_⎠

⎜ ⎞

⎝

=⎛z U

U(z)

0 (3.11) U0=邊界層外的風速，又稱梯度風速

δ：梯度高度 α：指數

其中梯度高度與指數，需視地表的粗糙程度而定，如表 3.7，為 British Standards Institution 所建議之不同地況的邊界層高度與指數。本 研究所模擬之區域為大城市之市中心，因此設定指數為 0.33，梯度高 度為500 公尺。

表 3.7 不同地況的邊界層高度與指數

地況分類 地況特性 說明 指數(α) c δ(m) 地況A 大城市之市

中心區

1. 大城市之市中心 2. 或 50%以上之建築物

高度大於20 公尺

0.33 0.21 500

地況B 郊區、小市鎮 1. 郊區、小市鎮

2. 或 50%以上建築物介 於10~20 公尺

0.25 0.35 400

地況C 開闊之平原 1. 地勢平坦之草原 2. 地面零星散佈的地物

高度皆小於10 公尺

0.20 0.52 300

地況D 地勢平坦之 海岸地區

1. 距海線 500 公尺 0.17 0.68 215

資料來源：[29]

如表 3.8，根據 Mistriotis(1997)的研究指出，當外部風速大於 2 m/s，風力對於自然通風的影響遠大於熱浮力，可忽略熱浮力之影響；

當外部風速小於2 m/s，且大於 0.5 m/s 時，風力之影響仍較熱浮力大，

但不可忽略熱浮力之影響；當外部風速小於0.5 m/s 時，風力之影響則 不顯著，因此必當考量熱浮力通風[30]。

表 3.8 外部風速考量表

外部風速 通風方式

V > 2 m/s 風力 > 熱浮力(熱浮力可忽略) 2 m/s > V > 0.5 m/s 風力 > 熱浮力(熱浮力不可忽略)

V < 0.5 m/s 風力 < 熱浮力

以台灣各地平均風速1.2 ~6.0 m/s 而言，宜應考慮綜合考量風力與 熱浮力對自然通風效果之影響，因此本研究選定三種風速- 0.5 m/s 、2 m/s、4 m/s 進行模擬。

三、不同風向

建築物室內的空氣流動會受到室外空氣流動的影響，因此，本研 究選定不同風向：迎風向、背風向、側向進行模擬，探討不同風向對 室內換氣量之影響(詳圖 3.12)。

單面開口

雙面開口

圖 3.12 不同風向示意圖