量測儀器

進行風洞基本性能測試所需之儀器設備，至少包含以下所述：

1. 壓力量測系統(pressure measurement system)

A. 皮托管(Pitot tube):目前所使用的有兩種形式，一為較常見 90 度彎管型皮托管(圖 3 所示)，目前使用在量取第一及第二測 試區之入口流速，另一為直線型式，可配合三維移動機構來 量取測試區各截面之速度均勻度及軸向速度分佈。

B. 壓力轉換器(pressure transducer)：為 Validyne DP-103 型薄膜 式壓力轉換器(圖 3 所示)，所量取兩端輸入之壓力差，以類 比電壓形式輸出，輸出電壓在 V 之間。正壓接在 pitot tube 的全壓口，而負壓則接在 pitot tube 的靜壓口，藉此得 到動壓差，進而換算出平均速度。

± 10

C. cobra probe: 本次實驗預計使用三孔的 cobra probe（圖 5 所 示）是由三支外徑 1.07mm，內徑 0.77mm 之不銹鋼圓管所 構成，並排貼緊於垂直自身轉軸的平面上，尖端指向自由流 方向，而兩側圓管對稱切削，與自由流夾45 度角。

2.速度/溫度量測系統(velocity/temperature measurement system) 本實驗使用 DANTEC 之定溫熱線測速儀(constant temperature hot-wire anemometer)從事流場瞬間流速量測，此儀器具 50Khz 高 頻響應能力，由於熱線測速儀之電子回授線路可能有飄移(drifting) 發生，所以每次使用之前都必須校驗以避免造成實驗誤差，

Hot-Wire 每次校驗後約可維持兩個小時。熱線測速儀依其操作原 理不同，約可分為定電流熱線測速儀(CCA)及定溫測速儀(CTA)

兩種，其量測原理乃利用惠斯通電橋(Wheatstone's bridge)之平衡 作用，CCA 是利用保持通過感測器的電流為定值，而得到電阻與 熱散失的關係，為維持熱線溫度在一定值，當氣流通過此熱線表 面帶走熱量使溫度降低時，必須補充相當的電流，因此流速越快 會得到越高的電壓值，CTA 是利用回授線路保持感測器的溫度(或 電阻)為定值，而由回授放大器的輸出電壓得到與熱散失間的關 係。

熱線材料是由 90%的白金(platinum)和 10%的銠合金(rhodium) 組成，直徑為 5µm。在使用前，以校驗過的壓力轉換器校驗之。

由於熱線測速儀的靈敏度及特性隨流場溫度與本身電阻而有所 改變，因此校驗後之探針使用一段時間後，就必須重新校驗一 次，以得到較準確之校驗係數。

3.數據收集系統(data acquisition system)

實驗所量得之類比訊號先由IOTech ADC-488/8SA 資料收集系 統作數位類比轉換(analog-digital converter)，此系統共有八組輸 入端，最高取樣速率(sample rate)為 100KHz，具有 16bit 之解析 度，精確度(accuracy)達 0.02%。數位化的信號以大於 200kb/s 的 速率經由 IEEE-488 介面傳回電腦，再用 VB6.0 所撰寫好的程式 運算並儲存。

4.拍照攝影與錄影系統(photograph and video recording system) 5.示波器、數據位電表、信號產生器等基本電子信號檢測儀器。

6.4 風洞基本性驗證實驗初步結果

6.4.1風洞運轉之穩定性分析

本實驗主要在探討測試區中平均速度及溫度對時間的關係，即給 定一速度後，量取測試區中速度隨時間的變化，此測試結果將有助於 了解本風洞測試區到達設定速度所須之時間。再者，風洞運轉後，整 體溫度會隨時間而逐漸上升，至到與外界達成熱平衡後，風洞內部氣 流溫度才會平穩，為避免因溫度上升而產生量測上的誤差，有必要了 解風洞運轉過程，氣流溫度隨時間變化之特性。

但與外界要達成熱平衡必須在外界之氣溫變化不大(即穩定狀 態下)，若外界的環境變化過大則無法在短時間內便達到熱平衡。早 期在風洞館進行實驗時，發現在白天正午或日夜交替的時候溫升非常 的大，曾經在風洞運轉不到一小時的時間內溫度上升近 10℃，有鑑 於此，本實驗的量測時間在晚上 23:00~01:00 之間。同時使用皮托管 及溫度感測器量取第一測試區之入口流速與溫度隨時間之變化關 係，速度設定在 6.7m/s，基本上每隔 3 分鐘取一點共取 120 分鐘 41 點，待風扇轉速固定之後開始量測，測量位置不變，結果如圖6 所示。

發 現 在 此 時 段 時 間 內 的 溫 度 上 升 並 不 大 ， 速 度 幾 乎 維 持 在 24.7℃~24.8℃左右，溫度變化的不確定度大約在± 0.58%。而速度的 變化並無明顯的上升或下降，但隨時間的變化值則較大，速度改變的 不確定度約在± 2.8%，初步判斷速度的改變值會偏高是因為入口皮托 管隨風洞運轉而震動所造成，為了使入口參考速度的不確定度減低並

成為未來設定速度的參考值，有必要重新思考感測器安裝的方式及位 置，以增加實驗數據的可信度。

而圖 7 為風扇轉速與速度之關係，其中速度分別為第一測試區及 第二測試區之入口流速，風扇轉速與速度呈現線性之關係，所率定出 來之線性關係式如圖7 所示，可作為日後設定速度的參考關係式。未 來改進儀器及感測器本身的誤差後，可再與此兩關係式做比對。

6.4.2 風扇變頻器特性實驗

本實驗主要之目的在於初步測試變頻器之控制性能，了解風扇之 轉速是否會與變頻器呈現線性之關係。實驗主要在空風洞的時候進 行，風扇由低負荷(6rpm)運轉至高負荷(390rpm)共設定 13 個轉速，

由控制台面板上記錄每一轉速之變頻器頻率，結果如圖 8 所示。結果 顯示出風扇轉速與變頻器頻率呈現正比的線性關係，得知風扇變頻器 的性能頗佳，在 60rpm 至 390rpm 的範圍內皆為風扇的操作範圍，不 需擔心風扇因為風阻的增加而使感應馬達的扭矩降低而降低速度。

6.4.3 測試區均勻度及紊流強度

本實驗目前以第一測試區(2F)為主要的測量範圍，所使用的感測 器主要有pitot tube 及熱線測速儀。圖 9 為軸向下游 2.5m 所量測出的 平均速度分布圖，圖 10 為平均速度剖面圖，速度設定在 6.8m/s。由 圖6.可看出在離左右壁面各 80cm 處，速度有突然降下來的趨勢，且 最高速度分布在截面中心偏下方處，初步判斷是受到三維移動機構所 造成的影響，未來將深入探討移動機構及其軌道所造成的阻塞效應與 渦流的影響。取中心截面20 點(如圖 10 所示)作均勻度分析，所得到

的結果為± 2.6%，並非十分理想。

圖 11 及圖 12 為第一測試區下游 15m 之平均速度分布圖及下游 15m 之二維平均速度剖面圖。可看出在 Y 軸中心點兩測約 120cm 仍 然會有速度驟降的趨勢，且速度依舊在截面下方處較高，因此判斷造 成此影響的原因並非只存在入口處，另外亦可發現由於邊界層成長的 關係，使得 Z=30cm 處的速度下降許多。而取下游 15m 截面中心 20 點(如圖 12 所示)作均勻度分析，所得到的結果為± 2.2%。

圖 13 及圖 14 為使用 Hot-wire 所量測出來之下游 25.5m 速度分佈 圖及剖面圖，發現由於邊界層成長的關係使中心的速度比旁邊增快許 多，而取截面中心所得到的速度均勻度約為± 2.2%。

而圖 15 為第一測試區下游 25.5m 之紊流強度分佈圖，圖 16 為第 一測試區下游25.5m 之紊流強度剖面圖，由圖 16 可看出 Z=30cm 處，

由於邊界層長厚而使得紊流強度變大達1%~2.5%，而其餘未受邊界 層影響之範圍，紊流強度皆小於 0.7%，符合我們先前所制定之規範。

入口流場的紊流強度目前因電磁效應干擾下，所測得數據中因雜訊太 大，故無法估計算出入口的紊流強度。未來將解決在入口處所遇到的 雜訊干擾問題，確認入口處之紊流強度。而圖17.中可看出從下游 17m 至30m 之軸向紊流強度分佈，每一點的紊流強度皆小於 0.3%，合乎 我們的需求。

6.4.4 邊界層量測結果

目前尚未將Cobra probe的校驗機構架設，將於後續計畫執行，並 完成Cobra probe校驗，並進行流場偏向角量測。

6.4.6 軸向壓力梯度

6.5 基本性能測試實驗結論

經過風扇之穩定性分析後，發現風洞較適宜在晚上進行實驗，較 不 會 受 到 外 界 環 境 的 影 響 。 目 前 在 第 一 測 試 區 所 測 得 三 個 截 面 (2.5m、15m、25.5m)之速度均勻度約在 2% ~2.6%之間，還未達到我 們原先0.5%的需求，首先規劃將改善儀器設備本身的誤差(如感測器 震動問題、壓力轉換器適用範圍、壓力管線過長、移動機構…..等)，

若確認非儀器之問題，則要往風洞主體來探討。第一測試區之軸向紊 流強度及下游 25.5m 截面中心紊流強度，皆小於 0.7%，有達到原先 設計 1%之要求，未來將解決入口處雜訊干擾之問題，以便收集更完 整的資料。而目前在第一測試區所量得之邊界層厚度，與理論值做比 較，還算在合理的範圍之內，誤差不大。

第七章 橋樑斷面模型試驗

7.1 前言

著名的1940 年 Tacoma Narrows 懸吊橋崩塌事件，便是由於所採 用的橋面版斷面具有高度空氣動力不穩定性，使得該橋在風速約略為 當時設計風速一半的情況下，因顫振而崩毀。此後，工程界開始重視 橋樑的空氣動力不穩定性。過去數十年間，橋樑空氣動力理論的演進 加上工程計算能力的大幅增強，使得工程界得以逐步克服伴隨大跨徑 而來的氣動力不穩定現象。國際上懸吊橋跨徑早已已超越 1000 公 尺，最長的則是跨越瀨戶內海，連接四國、本州的Akashi-Kaikyo 橋，

其總長3911 公尺，中央跨徑長達 1991 公尺。斜張橋的發展較懸吊橋 晚，但在1956 年瑞典的 meassurement Group 橋完成，開 展現代斜張橋的先端以來，發展極為迅速，近年來已逐漸成為大跨徑 橋樑的主流，主跨長度也已逼近 1000 公尺。國內最長的斜張橋為南 二高跨越高屏溪的高屏溪橋，全長510 公尺，主跨 330 公尺為綱結構，

副跨180 公尺為預力混凝土結構。由於斜張橋具有特殊的美學外觀，

容易與自然環境結合而形成地標，可以預見，未來國內仍會出現跨徑 不一的斜張橋樑。

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橋樑的氣動力現象基本上是流體與鈍狀彈性體之間的互制行 為，由於橋樑結構的複雜性，目前無法以純理論模式或數值方法解析 之。特別是風與結構間的互制現象，必須依賴風洞物理模型實驗。橋 樑的風洞模型實驗大體可分為全橋模型實驗（Full Model）與斷面模 型（Section Model）兩大類。斷面模型則是採用主跨斷面的二維模型，

在均勻流場中量測橋樑斷面的風力係數及顫振導數，提供振顫臨界風 速與動態反應計算模式之用。除此之外，斷面模型的設計對於橋樑垂

態反應作為初期設計的參考。國內已有學者採用斷面模型試驗從事橋

態反應作為初期設計的參考。國內已有學者採用斷面模型試驗從事橋