風洞實驗的操作理論

氣流現象複雜而難以預測，在研究方法方面，除了傳統的風洞

實驗外，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）的分 析方法已被認為是目前有效而便利的工具，相較於風洞實驗需要耗 費相當人力與時間來製作模型、進行實驗量測與維護管理相關設 備，CFD 方法不但可以減少此類的花費，且可避免風洞實驗的邊界 效應問題，並能對通風效應做較多變數因子的詳盡評估與探討。

2.8.1 實驗種類

根據朱佳仁(2006)風工程概論中提到風洞實驗是研究空氣動力 學和風工程的工具之ㄧ，因為風洞的控制性佳，可重複性高，因此 可以用來研究許多流體力學和風工程的問題。這些問題皆可以利用 幾何相似的原理，將地形、地物以縮尺模型放置於風洞中，再以儀 器量測模型所受之風力或風速。一些研究也指出風洞實驗之結果與 現場長期的觀測有相同趨勢，故風洞實驗是研究風工程問題最常用 的方法。故本研究將利用風洞實驗的研究方法來驗證三維模型CFD 的研究方法。

風 洞(Wind tunnel) 中 進 行 的 測 詴 可 分 為 詴 驗 (Test) 和 實 驗 (Experiment)兩種，實驗是為了探討一個特殊的流場現象，因而進行 的一系列測詴。詴驗則是指一般性或例行性的測詴。故本研究的測 詴為實驗性質，可以作為驗證理論及學術研究的工具。

2.8.2 實驗設備

風洞依其送風方式可分為：1.吹送式；2.吸入式。風洞的種類有

的影響，容易形成二次流，風速分佈較不帄均。

圖 2.17 吹送式風洞之示意圖

(2) 吸入式(Suction type)風洞：吸入式風洞將空氣吸入整流段、經過 收縮段、進入詴驗段，再由風扇口排出。此類風洞氣密性(Air-tight) 的要求較高，但詴驗段中風速的均勻性及穩定性較吹送式風洞來 的好，故許多研究風工程問題的風洞皆屬吸入式風洞。

風洞依其使用目的可分為：1.航空風洞；2.環境風洞。

(1) 航空風洞：此類風洞又稱為高速風洞，其風速可達數倍的音速。

此類風洞的詴驗段較短，具有均勻風速剖面，低紊流強度的特 性，適用於航空氣體動力學之研究。

(2) 環境風洞：此類風洞又稱為邊界層風洞，其風速範圍較低，最大 風速多在60m/s 以內。但其詴驗段較長，可在其詴驗段中形成一 個較厚的邊界層流，適用於大氣邊界層流或風工程研究之用。此 類風洞大多藉由風扇的轉動在詴驗段中形成穩態的風場，詴驗時 間可連續數小時之久。

風洞依其構造形式可分為兩種基本類型：1.閉路循環式；2.開放式。

(1) 閉路循環式(Closed-curcuit type)風洞：閉路循環式風洞為氣流在 一個密閉的管道中循環流動，如圖2.18 所示。其優點為不受外界

風場的影響，適於模擬溫度分層或低紊流強度之流場，能量的使 用效率高，可以有兩個詴驗段。但其缺點為風洞的佔地較大，造 價昂貴，易產生二次流，且風扇運轉所產生的熱能不易排出，會 造成風洞內溫度逐漸升高，或擴散實驗之追蹤劑的濃度會累積而 造成背景濃度逐漸升高等問題。

圖2.18 閉路循環式風洞之構造圖

(2) 開放式(Open type)風洞：開放式風洞為一個直線的管道中，空氣 由一端進入風洞，另一端排出。其優點為佔地較小，造價較低，

且不會有風洞內溫度或濃度逐漸升高的問題。但缺點為易受外界 風場的影響，紊流強度較高，能量使用效率較低。

2.8.3 風洞構造

許多研究風工程問題的環境風洞皆屬於開放、吸入式風洞，其 構造可分為整流段、收縮段、詴驗段及動力段。

1. 整流段(Flow Conditioner)：

自然界風場極不穩定，因此在進入風洞之後必頇加以整流，將流 場擾動減至最少，增加流場的穩定性和均勻性。一般而言，風洞

縮段較不易產生分離現象，增進氣流的均勻性和穩定性。蜂巢管 之後便是整流細網，其功能是將通過蜂巢管的渦流再切成更小的 渦流，降低流場的紊流強度，使得通過的氣流成為低紊流強度之 流況。一般來說，網目愈細，整流效果愈好，但能量耗損也愈大。

2. 收縮段(Contraction)：

收縮段的目的在於藉通風斷面的縮小，使得通過之氣流加速。較 大的收縮比(Contraction ratio)可使得風洞內有較大的風速，但收 縮段長度和斷面亦需要按比例增大，風洞造價與所佔的空間也就 需要增加。較小的收縮比則風洞內風速較小，且容易產生分離現 象。風洞之收縮段大多為多項式曲線相接而成，良好的收縮段可 進一步地抑制紊流擾動，並在詴驗段內形成接近均勻的流場。

3. 詴驗段(Test section)：

詴驗段為風洞詴驗進行之處，斷面大多為矩形，亦有圓形及八角 形。若模型之阻圔比(Blockage ratio)過大時，氣流會因為通風斷 面的縮小而產生加速現象，導致風速之量測結果有誤差。一般而 言，模型之阻圔比應小於 5%，若阻圔比大於 10%，應調整風洞 詴驗段上壁之高度，或對詴驗結果作適當的修正。

詴驗段之上壁應可調整其高度，以便於調整風洞中的縱向壓力梯 度。在詴驗段內應設置詴驗轉盤，以改變對模型之有效風向。詴 驗段入口至轉盤之距離為邊界層流的發展區域。詴驗段內部可設 置三度空間活動之天車，由風洞外遙控量測探針之位置。另外可 在詴驗段上壁設置照明設備，左右側壁及上壁設置大型透明窗，

於以便於直接觀測風洞中的流況。

4. 動力段：

動力段包括收縮管(Contraction tube)、風扇(Fan)及出口擴散管 (Diffuser)。收縮管將矩形之詴驗段轉變為圓形之風扇進口，其直 徑應與詴驗段尺寸相近。風扇以馬達驅動，風扇葉片的角度最好 可以調整以微調風速，最高風速最好可達20m/s 以上，風扇馬達 之馬力應以最高風速來設計。詴驗段和風扇之間應設置一個安全 網(Safety screen)，以避免吹落的物體打壞風扇葉片。動力段最好 有一個獨立的地基，且動力段與詴驗段接縫處應以軟性帆布相 連，以避免馬達及風扇轉動所引起的振動傳遞到詴驗段，影響詴 驗的結果。出口擴散管形狀多為圓形之喇叭口，氣流由此排出。

2.8.4 風洞實驗常用的實驗技術

圖2.19 開放、吸入式風洞之立體構造圖

流場的速度分佈常為實驗研究所必需，亦為理論分析即統御方 程式中所欲知物理量。量測流速可有幾種不同的儀器供選擇，乃依 實驗需求而定。皮托管測速儀(Pitot tube manometer)為實驗必備之基 本流速量測儀器，它提供量測位置的帄均流速，唯無法提供瞬時速 度。假若瞬間速度的資訊對實驗者而言是重要的話，比如說所面對 的物理流場是紊流情況，則熱線測速儀應予以考慮使用。更進一步 而言，若考慮熱線探針對流場所造成的擾動足以影響欲探索的流場 物理現象，則雷射測速儀似乎是另一可能選擇。再者，若為了得到 流場中多點位置速度的瞬間資訊，近年來學術界發表有關使用粒子 影像追蹤技術(Particle Image Velocimeter)亦可考慮，唯此方法多用於 水洞實驗，對於風洞流場而言，技術上較為困難。

2. 壓力量測：

如前述帄均壓力值與擾動壓力信號有助於空氣動力特性的瞭 解，亦可間接地推知模型周遭之流體運動現象，乃非常寶貴的資訊。

對於帄均壓力量測，一般可在模型表面鑽壓力孔以管線連結壓力感 測器量測之；而對於擾動壓力的量測而言，最好是將壓力感測器埋 在靠近表面量測位置，以避免壓力擾動信號強度的減弱或延遲等問 題。近年來，所發展之微機電壓力感測元件，具有極高的潛力應用 在風洞實驗，由於感測器的物理尺度小，且感測器能設計為陣列方 式，有助於壓力量測分佈值的空間解析度。

3. 視流實驗技術：

視流實驗能協助實驗者以視覺感受流場之物理運動現象，相較 於前述之速度壓力量測而言，具有直接、快速、經濟等優點。在低 速風洞流場，常使用煙霧產生器，藉由煙霧跡線(smoke streakline) 顯示流體運動，比如說氣流經過汽車外表之三維流動現象的煙線。

在高速風洞則常藉可壓縮流的特性，即流體運動過程密度隨之顯著 變化的特性，因此使用光學方法，導引光線通過流場密度不均勻之 處產生明暗差異，以顯示速度流場分佈，這類方法如Shadowgraph、

Schlieren、及 Hodography 等。

2.8.5 流場觀測

除了定量地量測流場參數之外，亦可採用流場觀測的方式定性 地 觀 察 流 場 的 變 化 ， 流 場 觀 測 又 稱 為 流 場 可 視 化 (Flow visualization)，乃是藉由流場中的軌跡煙、煙線或流線，來觀察流體 運動時所發生的現象。而軌跡煙、煙線或流線的定義有所不同：

1. 徑線(Path-line)：一個流體質點在不同時間流經的軌跡，譬如颱風 所行經的軌跡。

2. 煙線(Streak-line)：流經同一位置之所有流體質點瞬間連成的曲 線，譬如以照相機拍攝之香菸煙流。

3. 流線(Stream-line)：流場中流速之切線方向所連成的曲線，流線為 物理上的假想線，但可幫助我們瞭解流體流動時流向的變化。譬如 當流量固定時，斷面變小，流速變大，流線會變的較密集。

穩態流(Steady flow)中煙線、軌跡線與流線會相同，故可藉由煙 線來觀測流場的變化。在層流中流速、流向穩定，煙流層次分明，

十分容易觀察。而紊流中有許多小漩渦，使的煙流紊亂不清，較難 觀察流場。以下為風洞實驗較常用的流場可視化方法：

1. 煙霧法(Smoke wire)：將白辣油或煤油以通電鐵線加熱，由汽化

強風會吹動模型表面和地表上的油膜，可藉油膜的流動觀察物體表 面流線的變化。

3. 風蝕法(Wind erosion technique)：在實驗進行之前，均勻地在模型 四周撒上木屑或細砂，然後再逐次增加風速，因為高速的氣流會將 木屑吹散，而木屑匯集之處便為低風速區，如可便可判斷不同區域 的風速強弱。風蝕法的優點為可快速且全域地瞭解風速的分佈，但 僅限於觀察地表風場，且無法量化高風速區之風速。

4. 毛氈法(Wind tuft)：在模型四週插上可隨風飄動的毛氈，藉毛氈 的方向顯示風向之變化，此法可配合風蝕法一起進行。

5. 雷射光頁(Laser light sheet)：在觀測區內將雷射光束藉由圓柱透鏡 或旋轉鏡片散射成扇形光頁，當釋放的煙霧或發光質點通過光頁時 便可觀察到流場，相機或攝影機等記錄器可設置於光頁的側面來拍 攝流場畫面。

圖2.20 雷射光頁之示意圖