第四章 結果與討論
第四節 風力係數實驗結果
本 實 驗 採 用 六 力 平 衡 儀 進 行 量 測 ， 以 了 解 其 橫 風 向 及 順 風 向 力 的 變 化 。 模 型 架 設 在 風 洞 第 一 測 試 區 第 一 及 第 二 迴 轉 盤 ， 力 平 衡 儀 與 目 標 模 型 底 部 連 接 ， 再 經 由 資 料 擷 取 系 統 將 電 壓 變 化 儲 存 於 電 腦 中 (如 圖 4-55 所 示 )，利 用 原 廠 校 驗 矩 陣 進 行 X-Y-Z 三 個 方 向 的 力 與 力 矩 轉 換 ， 並 求 取 阻 力 係 數 Cd 與 橫 風 向 的 風 力 係 數 Cl。 本 次 實 驗 取 樣 頻 率 為 256HZ， 取 樣 時 間 為 32 秒 共 8192 個 點 ，本 研 究 亦 利 用 橫 風 向 力 變 化 數 據 進 行 快 速 傅 力 葉 轉 換 （ FFT）， 了 解 其 渦 流 溢 放
（ vortex shedding） 的 關 係 。
圖 4-55 六力平衡儀實驗架設示意圖及座標定義
本 實 驗 首 先 進 行 單 柱 試 驗 ， 使 用 的 目 標 方 柱 高 度 有 2D、 4D 及 6D 三 種，量 測 雷 諾 數 範 圍 為 4.4×104至 1.6×105，所 得 之 Cd 如 表 4-1 所 示 。 目 標 模 型 高 度 為 2D 時 ， 所 量 測 到 的 阻 力 係 數 較 小 最 大 不 超 過 1.2，目 標 模 型 高 度 增 加 為 4D 時，阻 力 係 數 最 大 值 為 1.48，雷 諾 數 增 加 ， 阻 力 係 數 會 下 降 ， 在 本 次 實 驗 規 劃 最 高 風 速 下 阻 力 係 數 為 1.38，
表4-1 單柱模型之 Cd
Ho=2D Ho=4D Ho=6D
Re=44000 1.13 1.48 1.52
Re=101000 1.04 1.39 1.42
Re=160000 1.06 1.38 1.38
當 目 標 模 型 與 參 考 模 型 高 度 為 2D，間 隙 比 由 0.5D 至 2D，來流 雷 諾 數 範 圍 由 4.4E4 至 1.6E5， 其 阻 力 係 數 結 果 如 圖 4-56 所 示 。 由 圖 上 可 以 看 出 在 S=0.5D 時 ， 阻 力 係 數 隨 實 驗 雷 諾 數 上 升 而 下 降 ， 兩 模 型 間 隙 加 大 時 ， 阻 力 係 數 會 隨 雷 諾 數 上 升 而 增 加 。
圖 4-56 平均阻力係數結果(Hr/Ho=2D/2D)
當 參 考 模 型 高 度 增 加 為 4D 時 ， 改 變 間 隙 及 雷 諾 數 進 行 實 驗 量 測，其 結 果 如 圖 4-57 所 示，由 圖 上 可 以 發 現，不 同 間 隙 比 在 雷 諾 數
增 加 Cd 值 會 減 小 。
圖 4-57 平均阻力係數結果(Hr/Ho=4D/2D)
參 考 模 型 高 度 增 加 為 6D 時，改 變 間 隙 及 雷 諾 數 進 行 實 驗 量 測 ， 其 結 果 如 圖 4-58 所 示，由 圖 上 可 以 發 現，不 同 間 隙 比 在 雷 諾 數 增 加 Cd 值 會 減 小 。
圖 4-58 平均阻力係數結果 Hr/Ho=6D/2D
目 標 模 型 高 度 增 加 為 4D 參 考 模 型 高 度 為 2D， 改 變 兩 模 型 間 的 間 隙 與 雷 諾 數 ， 所 得 之 阻 力 係 數 Cd 如 圖 4-59 所 示 。
圖 4-59 平均阻力係數結果 Hr/Ho=2D/4D
參 考 模 型 高 度 為 4D，改 變 兩 模 型 間 的 間 隙 與 雷 諾 數，所 得 之 阻 力 係 數 Cd 如 圖 4-60 所 示 ， 由 圖 上 可 觀 察 出 隨 雷 諾 數 即 間 隙 筆 增 加 Cd 呈 現 上 升 趨 勢 。
圖 4-60 平均阻力係數結果(Hr/Ho=4D/4D)
參 考 模 型 高 度 為 4D，改 變 兩 模 型 間 的 間 隙 與 雷 諾 數，所 得 之 阻 力 係 數 Cd 如 圖 4-60a 所 示，兩 模 型 間 隙 0.5D 時，Cd 會 隨 雷 諾 數 增 加 ， 當 S=2D 時 ， Cd 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 減 小 。
圖 4-60a 平均阻力係數結果(Hr/Ho=6D/4D)
目 標 模 型 高 度 增 加 為 6D 參 考 模 型 高 度 為 2D， 改 變 兩 模 型 間 的 間 隙 與 雷 諾 數 ， 所 得 之 阻 力 係 數 Cd 如 圖 4-61 所 示 。 當 間 隙 比 或 雷 諾 數 增 加 ， Cd 都 是 減 小 的 。
圖 4-61 平均阻力係數結果(Hr/Ho=2D/6D)
參 考 模 型 高 度 為 4D，S=0.5D~2D 與 不 同 雷 諾 數，所 得 之 阻 力 係 數 Cd 如 圖 4-62 所 示 ， 當 間 隙 比 或 雷 諾 數 增 加 ， Cd 都 是 減 小 的 。
圖 4-62 平均阻力係數結果(Hr/Ho=4D/6D)
參 考 模 型 高 度 為 6D， S=0.5D~2D 與 不 同 雷 諾 數 ， 所 得 之 阻 力 係 數 Cd 如 圖 4-63 所 示 ， 當 間 隙 比 或 雷 諾 數 增 加 ， Cd 都 是 減 小 的 趨 勢 。
圖 4-63 平均阻力係數結果(Hr/Ho=6D/6D)
本 研 究 將 所 得 橫 風 向 數 據 利 用 快 速 傅 力 葉 轉 換 ， 找 尋 出 橫 風 向 振 動 主 頻 率。圖 4-64~4-66 為 高 度 2D、4D 及 6D 之 頻 譜 圖。由 圖 上 可 以 發 現 在 低 雷 諾 數 時 ， 主 頻 率 不 明 顯 ， 雜 訊 干 擾 較 多 。
圖 4-64 Ho=2D 模型之頻譜圖
圖 4-65 Ho=4D 模型之頻譜圖
圖 4-66 Ho=6D 模型之頻譜圖
當 目 標 模 型 高 度 為 2D，改 變 不 同 參 考 模 型、模 型 間 隙 及 雷 諾 數 進 行 受 力 量 測 ， 並 進 行 FFT， 尋 找 出 主 頻 並 計 算 出 St， 所 得 結 果 如 圖 4-67 所 示 。
圖 4-67 Ho=2D 目標模型雙柱實驗之 St 與 Re 結果
把 目 標 模 型 高 度 增 加 為 4D，參 考 模 型 的 高 度 分 別 為 2D、4D 及 6D， 在 不 同 模 型 間 隙 與 雷 諾 數 下 ， 由 力 平 衡 儀 所 量 得 橫 風 向 風 力 ， 進 行 FFT， 尋 找 出 主 頻 並 計 算 出 St， 所 得 結 果 如 圖 4-68 所 示 。
圖 4-68 Ho=4D 目標模型雙柱實驗之 St 與 Re 結果
把 目 標 模 型 高 度 增 加 為 6D，參 考 模 型 的 高 度 分 別 為 2D、4D 及 6D， 在 不 同 模 型 間 隙 與 雷 諾 數 下 ， 由 力 平 衡 儀 所 量 得 橫 風 向 風 力 ， 進 行 FFT， 尋 找 出 主 頻 並 計 算 出 St， 所 得 結 果 如 圖 4-69 所 示 。
圖 4-70 Ho=6D 目標模型雙柱實驗之 St 與 Re 結果
模 型 橫 風 向 受 力 也 可 以 得 到 升 力 係 數 ， 表 4-2 為 不 同 高 寬 比 單 柱 之 升 力 係 數 。 由 表 上 可 發 現 在 風 速 較 小 的 時 候 ， 升 力 係 數 較 大 ， 原 因 可 能 是 在 低 風 速 時 邊 界 層 不 穩 定 所 造 成 。
表4-2 單柱之升力係數
Ho=2D Ho=4D Ho=6D
Re=44000 0.115 0.207 0.188
Re=101000 0.029 0.05 0.06
Re=160000 0.008 0.034 0.036
當 目 標 模 型 高 度 為 2D， 改 變 不 同 參 考 模 型 、 模 型 間 隙 及 雷 諾
表4-6 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=2D/4D)
表4-9 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=2D/6D)
上 虛 線 部 分 是 參 考 模 型 與 目 標 模 型 為 橫 列 方 式 ， 在 兩 模 型 距 離 為 0.5D 時，其 CD 值 隨 雷 諾 數 增 加 為 先 升 後 降。在 間 距 比 較 大 時（ 1D 與 2D），實 驗 所 得 到 CD 值 隨 雷 諾 數 增 加 而 下 降。圖 4-72 為 橫 風 向 風 力 係 數 CL 結 果，在 雷 諾 數 較 低 時，數 值 最 大 為 0.025，在 高 雷 諾 數 條 件 下 ， CL 值 都 在 0.005 以 下 。
圖 4-71 平均阻力係數結果(Hr/Ho=2D/6D)
圖 4-72 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/6D)
參 考 模 型 置 換 成 高 度 4D 的 方 柱 模 型，目 標 模 型 是 高 度 為 6D 的 方 柱 模 型 ， 參 考 模 型 與 目 標 模 型 的 間 隙 （ S） 為 0.5D、 1D 與 2D，
圖 上 虛 線 為 目 標 模 型 與 參 考 模 型 為 橫 風 向 排 列 ， 實 線 為 目 標 模 型 與 參 考 模 型 為 縱 向 排 列 結 果 。 由 結 果 可 以 觀 察 出 模 型 橫 風 向 排 列 方 式 CD 結 果 在 隨 雷 諾 數 增 加 而 遞 減 ， 參 考 方 柱 與 目 標 方 柱 為 縱 向 排 列 之 CD 的 實 驗 結 果 如 實 線 所 示 ， 不 同 實 線 代 表 不 同 間 隙 比 ， 由 結 果 可 以 觀 察 出 在 縱 向 排 列 方 式 下 CD 值 隨 著 雷 諾 數 增 加 而 上 升 ， 但 是 其 值 為 負 數 ， 目 標 方 柱 背 壓 造 成 力 大 於 迎 風 面 的 受 力 。 橫 風 向 風 力 係 數 結 果 如 圖 4-74 所 示，在 低 雷 諾 數 比 較 偏 大，在 高 雷 諾 數 其 值 大 小 較 穩 定，在 縱 向 排 列 結 果（ 實 線 ）都 小 於 0.1，如 果 參 考 模 型 與 目 標 模 型 排 列 方 式 為 橫 風 向 排 列 則 CL 較 大 。
圖 4-73 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=4D/6D)
圖 4-74 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=4D/6D)
目 標 模 型 高 度 改 變 為 4D 參 考 模 型 高 度 為 2D， 在 不 同 雷 諾 數 下 不 同 排 列 方 式 的 CD 值 結 果 如 圖 4-75 所 示。在 縱 向 排 列 時（ 實 線 結 果 ），高 雷 諾 數 阻 力 係 數 趨 向 0.8，在 低 雷 諾 數 時 阻 力 係 數 約 在 1.5。
由 橫 向 排 列 結 果 （ 虛 線 ） 可 以 發 現 ， 在 高 雷 諾 數 時 ， 無 論 是 大 的 間 隙 比 或 是 小 的 間 隙 比 阻 力 係 數 都 較 縱 向 排 列 為 大 ， 在 低 雷 諾 數 及 大 間 隙 比 時 有 相 近 似 結 果 。 圖 4-76 為 目 標 模 型 高 度 4D 參 考 模 型 高 度 為 2D 之 橫 風 向 風 力 係 數 結 果 ， 在 縱 向 排 列 方 式 上 ， 低 雷 諾 數 時 風 力 係 數 較 大 ， 在 高 雷 諾 數 時 ， 無 論 是 大 的 間 隙 比 或 是 小 的 間 隙 比 ， 風 力 係 數 都 小 於 0.1。在 橫 向 排 列 方 式 上，在 大 的 間 隙 比 情 況 下，橫 風 向 風 力 係 數 都 低 於 0.1 ， 在 小 間 隙 比 情 況 下 在 高 雷 諾 數 也 低 於 0.1， 而 在 低 雷 諾 數 情 況 下 係 數 較 大 。
圖 4-75 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/4D)
圖 4-76 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/4D)
參 考 模 型 高 度 增 加 為 6D 目 標 模 型 高 度 為 4D 的 情 況，在 不 同 間 隙 比 及 縱 向 或 橫 向 排 列 條 件 ， 改 變 雷 諾 數 所 得 到 的 風 阻 係 數 如 圖 4-77 所 示 。 由 圖 上 可 以 看 出 ， 在 縱 向 排 列 時 （ 實 線 結 果 ）， 阻 力 係 數 皆 為 負 值 ， 代 表 下 游 往 上 游 推 的 力 較 大 ， 阻 力 係 數 大 小 隨 著 雷 諾 數 增 加 而 有 遞 增 的 趨 勢。而 在 橫 向 排 列 結 果 上（ 虛 線 結 果 ），在 低 雷 諾 數 時 ， 間 隙 比 較 大 者 阻 力 係 數 較 大 ， 高 雷 諾 數 時 阻 力 係 數 無 論 是
小 或 大 的 間 隙 比 都 很 接 近。橫 風 向 風 力 係 數 結 果 如 圖 4-78 所 示，當 排 列 方 式 為 縱 向 排 列 時 ， 在 小 間 係 比 情 況 下 ， 風 力 係 數 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 減 小，大 間 隙 比 結 果 如 圖 上 紅 色 實 線 所 示，會 先 增 加 再 減 小。
排 列 方 式 改 變 為 縱 向 排 列 時，在 低 間 隙 比 情 況 下（ 黑 色 虛 線 ），風 力 係 數 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 先 增 加 再 減 小 ； 大 間 隙 比 （ 紅 色 虛 線 ） 情 況 下 會 隨 雷 諾 數 地 增 而 遞 減 。
圖 4-77 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=6D/4D)
圖 4-78 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=6D/4D)
目 標 模 型 高 度 與 參 考 模 型 高 度 皆 為 2D 時，縱 向 排 列 與 橫 向 排 列 在 不 同 間 隙 比 情 況 下，雷 諾 數 與 阻 力 係 數 的 結 果 如 圖 4-79 所 示。在 縱 向 排 列 的 情 況 下（ 實 線 結 果 ），在 不 同 間 隙 比 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 有 遞 增 的 情 況 ， 大 的 間 係 比 之 風 力 係 數 較 小 的 風 力 係 數 值 為 大 ， 而 在 縱 向 排 列 方 式 上 皆 為 負 風 阻 係 數 ， 代 表 下 游 往 上 游 推 的 力 較 大 。 改 變 排 列 方 式 為 橫 向 排 列 時 ， 不 同 間 隙 比 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 遞 減 。 橫 風 向 風 力 係 數 與 雷 諾 數 關 係 如 圖 4-80 所 示，在 縱 向 排 列 方 式 向 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 有 遞 減 的 趨 勢 ， 在 小 的 間 隙 比 情 況 下 （ 黑 色 實 線 ） 改 變 幅 度 較 大 ； 在 大 的 間 係 比 （ 紅 色 實 線 ） 及 高 雷 諾 數 時 情 況 下 ， 橫 風 向 風 力 係 數 會 小 於 0.1。 在 橫 向 排 列 結 果 如 圖 上 （ 虛 線 所 示 ），在 大 間 隙 比 （ 紅 色 虛 線 ） 結 果 較 小 的 間 隙 比 風 力 係 數 為 大 。
圖 4-79 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/2D)
圖 4-80 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/2D)
改 變 參 考 模 型 高 度 為 6D 目 標 模 型 高 度 為 2D 的 情 況，在 不 同 間 隙 比 及 縱 向 或 橫 向 排 列 條 件 ， 改 變 雷 諾 數 所 得 到 的 風 阻 係 數 如 圖 4-81 所 示。由 上 可 以 觀 察 出 當 排 列 方 式 為 縱 向 排 列 時（ 實 線 結 果 ），
在 不 同 間 隙 比 條 件 下，當 雷 諾 數 增 加 時，阻 力 係 數 都 有 上 升 的 趨 勢，
而 在 縱 向 排 列 方 式 上 皆 為 負 風 阻 係 數 ， 代 表 下 游 往 上 游 推 的 力 較 大。當 排 列 方 式 為 橫 向 排 列 時（ 虛 線 結 果 ），阻 力 係 數 約 在 1.2～ 1.5，
不 同 間 隙 比 隨 雷 諾 數 增 加 而 有 先 增 後 減 的 趨 勢 。 。 橫 風 向 風 力 係 數 結 果 如 圖 4-82 所 示 ， 當 排 列 方 式 為 縱 向 排 列 時 （ 實 線 結 果 ）， 在 兩 模 型 間 隙 為 0.5D 與 1D（ 黑 色 與 藍 色 實 線 ），橫 風 向 風 力 係 數 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 遞 減 至 0.1 以 下，而 在 間 隙 為 2D 情 況 時 有 先 增 後 減 的 情 況。當 模 型 排 列 方 式 為 橫 向 排 列 時（ 虛 線 結 果 ），橫 風 向 風 力 係 數 較 縱 向 排 列 為 大 ， 且 會 隨 雷 諾 數 增 加 而 遞 減 趨 勢 。