第二章 理論背景
第三節 風對結構物之作用
當氣流流經鈍體時，由於鈍體的阻擋其前進運動，使流體產生 較特殊之行為，將對鈍體所受之氣動力與位移反應造成不同之影響
。以下分別敘述之：
1
、 分離(separation)
：空氣流經鈍體表面時上形成邊界層，並受黏滯力、鈍體表面曲 率、粗糙度及雷諾數之影響。當承受逆壓梯度
(adverse pressure
gradient)
而不足以維持其自身沿鈍體表面運動時，則發生流體分離或逆流
(reverse flow)
之現象。對於具有銳緣之鈍體，由於表面曲率在此銳緣上是幾何不連續點，因此氣流分離現象必在此銳緣上發生
，此分離剪力流並在鈍體後之尾跡中形成渦漩。此外，在分離的銳 角下游處，由於渦漩之產生而引致較大很大的吸力
(suction)
。至於 對具連續表面曲率之物體，其分離的位置則與雷諾數有關。2
、 再接觸(reattachment)
：當分離後之剪力流由於對外界自由流之捲增
(roll-up)
及動量輸 入(entrainment)
作用，而使分流線(separation line)
之曲率增大。倘柱 體之深寬比夠大，則分流線將再度接觸到鈍體之頂面或兩側面，此 即為再接觸現象。再接觸現象對柱體整體之氣動力現象有十分顯著 之影響，其發生之主要因素是流場條件及柱體深寬比。Kawai
[B-12]研究高寬比為
10
之不同深寬比柱體在三種邊界層流場中之氣彈力 位移反應，結果顯示紊流強度之增大會促進分離剪力層之再接觸現 象發生，進而使低深寬比柱體之位移反應表現與深寬比略大之柱體 相似。3
、 尾跡(wake)
：流體流經鈍體產生分離現象後，分離出之渦流幅員向下游逐漸
增寬，其流動之軌跡形成尾跡。尾跡中渦漩對結構而言為一負壓區
，間歇性尾跡渦漩亦對結構體形成擾動性外力。
4
、 渦散作用(vortex shedding)
：氣流流經鈍體時，於兩側會交替產生分離剪力層，造成柱體側 面之非恆定外力，此稱渦散作用。渦散作用之特徵頻率，稱之為渦 散頻率
(shedding frequency)
。渦散頻率在橫風向反應上扮演著重要的角色，它不但和風速有 關，也和結構物的形狀、大小有關；對於非圓柱形結構物則和風向 攻角也有關係。一般常將其以無因次之史特赫數
(Strouhal number)
表示如下：U D
St
=f
S(2-15)
其中，fs
為渦散頻率；D
為結構特徵長度尺度。由於渦散頻率與平均風速常具相關性，故對不同斷面的結構物
，史特赫數代表尾流中最顯著之大尺度渦漩的無因次化頻率，可反 應出其特性。一般來說，方形斷面柱體相應之史特赫數約為
0.11
，而圓形斷面柱體在高雷諾數時之史特赫數約為
0.2
。5
、 鎖定現象(lock-in phenomenon)
：流體流經結構物時，流體分離現象產生渦散作用。如果渦散頻 率與結構體之自然頻率相接近至某一範圍時，由於結構體振動行為 與渦散發生共振，其結果將使渦散頻率不隨風速之改變而變。此時
，史特赫數不再保持定值，渦散頻率轉而與結構體之振動頻率一致
，亦即渦散頻率被鎖定在結構體之自然頻率上，使共振現象持續發 生甚至放大。對邊界層流場中的垂直結構體而言，因在不同高度處 各位置之風速均不同，以至渦散頻率亦各不相同，故各點間的相關 性較弱。但待鎖定現象發生後，會使結構在某段高度內各點之渦散 頻率均被鎖定在結構共振範圍，導致各點渦散頻率接近而增強其相
關性，最後外力合力變大而使結構振幅急劇增加，發生不穩定現象 單位長度(unit span)上之阻力、昇力與扭力分別加以無因次化後得 阻力係數與昇力係數，計有平均阻力係數(C )、擾動阻力係數(CD D’)
D 流強度之增大則會有壓力恢復(pressure recovery)的現象。迎風面之 風壓變化則直接反應了來流之紊流作用，因此C 隨著來流紊流強D
大氣邊界層本身之紊流結構即具有三維特性，而實際之建築結 構物亦是三維的。考慮一建築物之受風力作用，僅依據簡化下的二 維情況資訊將可能導致顯著之誤差。
Surry 與 Djakovich[B-13]針對靜止的三維氣動力模型研究在不同邊 界層流場中之表面風壓變化指出，在高紊流強度流場中，柱體下半 部之馬蹄型渦漩增大，使間歇性捲增作用增加、側面壓力擾動增大 與尖峰值增加，導致 值上升。而在二維方柱實驗中，流場紊流 強度增大，反而使渦散作用之強度減小， 值下降；兩者現象截 然不同。
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