流場三維量測方式建置暨應用至防風措施影響效應評估之研究

流場三維量測方式建置暨應用至防風措施影響效應評估之研究 內政部建築研究所研究報告 中華民國 年 102

流場三維量測方式建置暨應用至防

風措施影響效應評估之研究

內政部建築研究所研究報告

中華民國 102 年 12 月

計畫編號：10262D0002-1

流場三維量測方式建置暨應用至防

風措施影響效應評估之研究

計畫主持人：陳建忠

協同主持人：苗君易

研 究 員：陳子良、陳玠佑

研 究 助 理：賴宜暉、簡廷瑋

內政部建築研究所研究報告

中華民國 102 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

表次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧Ⅲ

圖次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧IV

摘要 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧XⅢ

Abstract ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧XVI

第一章 研究緣起與背景

第一節研究緣起 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1

第二節 研究背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2

第二章 文獻回顧

第一節阻風牆空氣動力特性 ‧‧‧‧‧‧3

第二節阻力與力矩的估計‧‧‧‧‧‧‧10

第三節評估不同阻風柵的風削減程度‧‧11

第四節不同類型風阻牆‧‧‧‧‧‧‧‧18

第三章 實驗計畫

第一節研究採用之方法‧‧‧‧‧‧‧‧33

第二節研究採用方法之原因‧‧‧‧‧‧36

第三節研究步驟‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37

第四節三維移動機構製作‧‧‧‧‧‧‧38

第五節防風擋牆模型製作‧‧‧‧‧‧‧43

第六節風洞吹試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44

第七節風洞實驗‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49

第四章 結論與建議

第一節 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68

第二節 建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70

第三節 未來研究方向建議‧‧‧‧‧‧‧71

附錄一 期初審查意見回覆‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧72

附錄二 期中審查意見回覆‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧75

附錄三 期末審查意見回覆‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83

附錄四 專家座談--專家意見回復‧‧‧‧‧‧‧94

參考書目‧‧‧‧･‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 100

表 2-1 實驗中所使用的不同類型風阻牆[23]‧‧‧19

表 2-2 (續)實驗中所使用的不同類型風阻牆[23]‧20

表 2-3 (續)實驗中所使用的不同類型風阻牆[23]‧21

表 3-1 研究步驟流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37

圖次

圖 2-1 實驗配置以及變數定義位置[19]‧‧‧‧‧‧‧3

圖 2-2 阻風牆上游的表面壓力分布，其中

Cp₁

為壓

力係數、

h

為擋風牆高度[19] ‧‧‧‧‧‧‧‧4

圖 2-3 鈍板上游影響範圍，

U X1 1 _{1 10}7 ν  ×

[19] ‧‧‧‧‧4

圖 2-4 顯示

CD₁

對外流場變數的依賴性。

其中

0.5 2 1 0.5 1 w U U U τ τ ρ   =    

[19] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5

圖 2-5 平均速度以及形狀阻力關係中的壁面相似(wall

similarity)，其中

Uh

為高度 h 時的速度[19] ‧5

圖 2-6 阻力係數、的不變量測試，實線代表壁面相似關係

式[19] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6

圖 2-7 位移厚度的判定[19] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7

圖 2-8 被障礙物影響的邊界層流區域[20] ‧‧‧‧‧8

圖 2-9 擋風牆下游處之速度剖面圖[20]‧‧‧‧‧‧‧8

圖 2-10 擋風牆下游處之擾動剖面圖[20]‧‧‧‧‧‧‧9

圖 2-11 沿著地面的壓力分佈[20] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧9

圖 2-12 均質表面的內部邊界層中控制容積的建議

位置[21]‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10

圖 2-13 不同透孔率之防風網下游處的

o U U

等速線(isotach)

[22]‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12

圖 2-14 不同透孔率之防風網下游處的

u U ′

等擾

動線[22] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14

圖 2-16 在

z 0.4 H =

與 0.6 時四種防風網之

u U ′

與

o U U

關係圖[22] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15

圖 2-17 不同透孔率防風網下游處之能量頻譜。虛線代表

遠離防風柵上游處之能量頻譜[22] ‧‧‧‧‧‧16

圖 2-17 (續)不同透孔率防風網下游處之能量頻譜。虛

線代表遠離防風網上游處之能量頻譜[22] ‧‧‧17

圖 2-18 不同形式擋風牆的保護面積[23] ‧‧‧‧‧21

圖 2-19 BV2 型式擋風牆(實心擋風牆)下游處之無因次

化等速線、其中

ref U U U + =

[23] ‧‧‧‧‧‧‧22

圖 2-20 BV2 型式擋風牆(實心擋風牆)下游處之等參數

曲線、其中

Uref ref f U σ σ + = +

[23] ‧‧‧‧‧‧‧‧22

圖 2-21 BV8 型式擋風牆(20%透孔率防風網)下游處之無

因次化等速線、其中

ref U U U + =

[23]‧‧‧‧‧‧23

圖 2-22 BV8 型式擋風牆(20%透孔率防風網)下游處之等

參數曲線、其中

Uref ref f U σ σ + = +

[23] ‧‧‧‧‧‧23

圖 2-23 BV23 型式擋風牆(兩個 20%透孔率防風網，相間

距離為 9 倍高度)下游處之無因次化等速線、其中

ref U U U + =

[23]

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24

圖 2-24 BV23 型式擋風牆(兩個 20%透孔率防風網，相間

距離為 9 倍高度)下游處之等參數曲線、其中

ref ref U f U σ σ + = +

[23] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24

圖 2-25 A 構型擋風牆[24]

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25

圖 2-26 B 構型擋風牆[24]

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25

圖 2-27 C 構型擋風牆[24]

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26

圖 2-28 無擋風牆之速度分布[24] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧26

圖 2-29 A 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布[24]

‧27

圖 2-30 A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆

之尾流速度分布[24]

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27

圖 2-31 A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆

之尾流速度(

u +w

) 分布，其風向與

擋風牆夾角為 30∘[24] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28

圖 2-32 A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆

之尾流速度(

u +v

)分布，其風向與

圖 2-33 B 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布[24] ‧29

圖 2-34 C 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布

(量測截面一) [24] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29

圖 2-35 C 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布

(量測截面二) [24] ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30

圖 2-36 A 構型附 50%透孔率防沙網擋風牆之垂直斷面

可視流結果[24]

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30

圖 2-37 B 構型無透孔擋風牆可視流實驗結果，

其風向與擋風牆夾角為 30

o

[24]

‧‧‧‧‧‧31

圖 2-38 B 構型附 50%透孔率防風網擋風牆可視流

實驗結果，其風向與擋風牆夾角為 30

o

[24]

‧31

圖 2-39 C 構型附 50%透孔率防風網擋風牆之可視流

結果其風向與擋風牆夾角為 30

o

[24] ‧‧‧‧32

圖 3-1 擋風牆概念設計側視圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33

圖 3-2 擋風牆及防風網概念設計正視圖 ‧‧‧‧‧‧34

圖 3-3 擋風牆於海岸設置初步規劃側視圖 ‧‧‧‧‧34

圖 3-4 擋風牆於海岸設置初步規劃俯視圖 ‧‧‧‧‧35

圖 3-5 一般常用之防風網結構 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35

圖 3-6 三維移動機構架設圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧36

圖 3-7 三維移動機構組合零組件圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧38

圖 3-8 三維移動機構探針支架圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧38

圖 3-9 三維移動機構 Z 軸線性滑軌 ‧‧‧‧‧‧‧‧39

圖 3-10 三維移動機構 X 軸線性滑軌 ‧‧‧‧‧‧‧‧39

圖 3-11 三維移動機構驅動五相步進馬達 ‧‧‧‧‧‧40

圖 3-12 三維移動機構五相步進馬達驅動器 ‧‧‧‧‧40

圖 3-13 步進式控制模式操作人機介面 ‧‧‧‧‧‧‧41

圖 3-14 連續式控制模式操作人機介面 ‧‧‧‧‧‧‧41

圖 3-15 三維移動機構主體圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42

圖 3-16 三維移動機構安裝三維動態皮托管量測圖 ‧‧42

圖 3-17 擋風牆 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43

圖 3-18 透孔率 50%防風網

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43

圖 3-19 無透孔防風網 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43

圖 3-20 皮托管及扇型風速計 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44

圖 3-21 壓力轉換電壓顯示器 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44

圖 3-22 薄膜型壓力轉換器 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44

圖 3-23 資料擷取系統 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45

圖 3-24 Streamline 恆溫型熱線測速儀主機

‧‧‧‧‧46

圖 3-26 無地況之邊界層流場理論值與二維熱線測速

儀量測之比較

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47

圖 3-27 無地況之邊界層流場紊流強度 ‧‧‧‧‧‧‧47

圖 3-28 熱線探針 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

圖 3-29 α=0.15 C 地況 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

圖 3-30

C 地況之邊界層流場理論值與二維熱線測速儀

量測之比較

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

圖 3-31

C 地況之邊界層流場紊流強度 ‧‧‧‧‧‧‧49

圖 3-32 小型風洞示意圖。截面為

𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝐦𝐦𝐦𝐦 × 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝐦𝐦𝐦𝐦 ‧50

圖 3-33 無防風網擋風牆模型，高度為 30mm

‧‧‧‧‧50

圖 3-34 有防風網擋風牆模型。透孔與實心部分各佔一半

，整體高度為 30mm。防風網透孔率約 70%

‧‧‧51

圖 3-35 第一種情況之擋風牆下游速度分布 ‧‧‧‧‧51

圖 3-36 第一種情況之擋風牆下游無因次化速度分布。

H 為擋風牆高度 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52

圖 3-37 第一種情況之擋風牆下游紊流強度輪廓線 ‧‧52

圖 3-38 第一種情況之自由來流紊流強度剖面圖 ‧‧‧52

圖 3-39 第一種情況之擋風牆下游無因次化距離紊流強度

輪廓線

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 3-40 第一種情況之擋風牆下游保護係數輪廓線

‧‧53

圖 3-41 第一種情況之擋風牆下游無因次化距離保護係數

輪廓線

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 3-42 第二種情況之擋風牆下游速度分布 ‧‧‧‧‧54

圖 3-43 第二種情況之擋風牆下游無因次化速度分布 ‧54

圖 3-44 第二種情況之擋風牆下游處紊流強度輪廓線 ‧54

圖 3-45 第二種情況之自由來流紊流強度剖面圖

‧‧‧55

圖 3-46 第二種情況之擋風牆下游無因次化距離紊流強度

輪廓線 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55

圖 3-47 第二種情況之擋風牆下游保護係數輪廓線 ‧‧55

圖 3-48 第二種情況之擋風牆下游無因次化距離保護係數

輪廓線

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖 3-49 第三種情況之擋風牆下游速度分布 ‧‧‧‧‧56

圖 3-50 第三種情況之擋風牆下游無因次化速度分布 ‧56

圖 3-51 第三種情況之擋風牆下游紊流強度輪廓線 ‧‧57

圖 3-52 第三種情況之自由來流紊流強度剖面圖 ‧‧‧57

圖 3-53 第三種情況之擋風牆下游無因次化距離紊流強度

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

圖 3-55 第三種情況之擋風牆下游無因次化距離保護係數

輪廓線

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧58

圖 3-56 A 模型示意圖。

實心擋牆高度 12cm、防風網高度 12cm ‧‧‧58

圖 3-57 B 模型示意圖，實心擋牆高度為 24cm ‧‧‧‧59

圖 3-58 C 模型示意圖，實心擋牆高度為 12cm ‧‧‧‧59

圖 3-59 自由來流之邊界層剖面圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧60

圖 3-60 A 模型擋風牆下游之速度分布圖 ‧‧‧‧‧‧60

圖 3-61 A 模型擋風牆下游之無因次化速度分布圖 ‧‧60

圖 3-62

A 模型擋風牆下游之紊流強度輪廓圖 ‧‧‧‧61

圖 3-63 A 模型擋風牆下游之無因次化距離紊流強度

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61

圖 3-64 A 模型擋風牆下游之保護係數輪廓圖 ‧‧‧‧61

圖 3-65 A 模型擋風牆下游之無因次化距離保護係數

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧62

圖 3-66 B 模型擋風牆下游之速度分布圖 ‧‧‧‧‧‧62

圖 3-67 B 模型擋風牆下游之無因次化速度分布圖 ‧‧62

圖 3-68 B 模型擋風牆下游之紊流強度輪廓圖 ‧‧‧‧63

圖 3-69 B 模型擋風牆下游之無因次化距離紊流強度

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63

圖 3-70 B 模型擋風牆下游之保護係數輪廓圖 ‧‧‧‧63

圖 3-71 B 模型擋風牆下游之無因次化距離保護係數

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧64

圖 3-72 C 模型擋風牆下游之速度分布圖 ‧‧‧‧‧‧64

圖 3-73 C 模型擋風牆下游之無因次化速度分布圖 ‧‧64

圖 3-74 C 模型擋風牆下游之紊流強度輪廓圖 ‧‧‧‧65

圖 3-75 C 模型擋風牆下游之無因次化距離紊流強度

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65

圖 3-76 C 模型擋風牆下游之保護係數輪廓圖 ‧‧‧‧65

圖 3-77 C 模型擋風牆下游之無因次化距離保護係數

輪廓圖

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66

一、研究緣起 風蝕在台灣西部沿岸是一個相當嚴重的問題，在風工程上也是一個重要的研 究方向，該效應會對建築物與居住環境的品質有重要的影響，本研究團隊乃針對 一些防風措施，如防風林、防風柵、防風牆與防風網等措施挑選出常見的方式進 行研究，目的在於研究該類型設施對於防風的效率。然而，防風設施的流場具相 當複雜的三維性，此乃因其三維紊流現象所致，且防風效率會因為不同透孔率以 及幾何造型而有很大的影響。因此需要以三維風速量測方法來取得數據，且進一 步分析防風設施下游處流場特性分布情形，觀察不同模型的減風效應以及其範圍， 並將結果與之前文獻研究結果比對。 二、研究方法及過程 本研究採用風洞實驗方法，將考慮一種防風措施設計，使用數個不同防風網 型式，進行縮小模型實驗，在不同的模擬大氣邊界層厚度下對不同高度、孔隙率 之防風網進行相關氣動力實驗，並評估其防風效果的影響。 本研究在進行防風設施改善量測時，將利用三維動態皮托管搭配三維移動機 構，進行區域性的量測，並分析在不同組合下，防風設施改善情況，將流場資訊， 包含平均速度，紊流擾動強度與保護係數分布，以圖表方式呈現，與文獻結果比 較，顯示其異同之處。 三、 重要發現 本研究經過實驗與分析討論後，有以下幾點重要發現： 1. 對於小風洞實驗，在第一種情況下邊界層厚度與模型高度比(厚高比) 約為 0.133，低於 50%自由來流速度的區域出現在下游距離 3H 之前以及 4H 到 9H 之間，但是尾流的紊流強度相當強烈。因此當考慮保護係數時， 保護係數最高的範圍就只有出現在非常靠近實體牆的區域，在這個情況 下最好的保護範圍只有在下游距離 1H 到 2H 之間。可得知當厚高比很小 的時候，低速範圍也會跟著變小。而超過 1H 高度時明顯的加速現象是 由於模型阻塞比約為 20%。 2. 在第二種情況下，厚高比約為 0.133 但是模型採用一半 70%透孔率防風 網一半實心牆。低於 50%自由來流速度的區域綿延超過下游距離 10H， 相較於第一種情況的結果，第二種情況的流場較為平順，且高紊流強度

而且擴展的範圍也較遠。如第一種情況保護係數等於 2.8 時範圍侷限在 下游距離 2H 以內，但是第二種情況保護係數等於 3 於可擴展到下游距 離 8H。 3. 第三種情況時厚高比增加到接近 1，模型則是使用一半防風網一半實心 牆。其流場與第二種情況相較不遠，但是在下游 5H 到 7H 之間出現了一 個泡泡狀的封閉等速輪廓線，文獻中也有類似的情形。此情況下的紊流 強度較第二種情況還高，因此其最高保護係數範圍，較第二種情況的小。 由第二種情況和第三種情況來看可知道當厚高比從 0.1 增加到 1 時，最 高保護係數其值與範圍會越來越小，但是需要做更多實驗才能確定當厚 高比繼續增加時最高保護係數其值與範圍的變化。 4. 對於大風洞實驗，A 模型實驗中自由來流邊界層厚度約為 500mm，厚高 比約為 2.08。低於 50%自由流速速度範圍遠超過 2400mm，相當於 10H。 而尾流的紊流強度到 2000mm 或 8H 之後仍高。整體評估，保護係數較高 的區域是在 2000mm 之內。 5. B 模型實驗中厚高比與 A 模型實驗結果相同，但使用完全沒有透孔的防 風牆模型。低於 50%自由來流速度區域較 A 模型實驗情況的區域小。且 防風設施尾流中的紊流強度也較 A 模型實驗結果高。因此 B 模型保護係 數分布較前 A 模型實驗結果小很多。 6. C 模型實驗中模型高度為 12cm，因此厚高比約為 4.17。與 B 模型實驗 的結果比較，低速區域會跟著厚高比增加而增加，也就是對於實心防風 牆而言，高度較小的模型產生的低速區域比較大， 且紊流強度也較 B 模型實驗結果還小。因此，最高保護係數值較 B 模型實驗結果大。 四、 主要建議事項 根據本計畫的研究成果，研究單位在此提出下列具體建議，以下分別從立即 可行的建議及長期性建議加以列舉。 建議一 進行不同型態風場地況調校研究：立即可行的建議 主辦機關：內政部建築研究所 本研究在進行地況量測時發現，C 地況如有可能將 C 地況之渦流產生器、阻 牆及粗糙元，調整尺寸與不同厚度及高度重新排列組合，或先將量測位置往下游 移至第二迴轉盤第二個位置，再進行驗證 C 地況。另其他有關 A、B 地況建議再 行確認，而量測工具可借重三維移動機構上增設光學量測儀器例如雷射測距儀， 以增加移動機構與模型間的相對位置精確度。未來還可增設汙染濃度感測器或是

建議二 定期量測不同地況之風場資料並回歸分析：中長期性建議 主辦機關：內政部建築研究所 長時間並定期量測三種地況風場資料，並將資料回歸分析，可記錄監測風洞 風場品質，並利於內政部建築研究所風雨風洞實驗室於申請 TAF 相關認證，此一 資料為必備之相關資料，且可以提升實驗室檢測之可靠度。 建議三 建立防風措施影響研究資料庫：中長期性建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院環境保護署、內政部營建署、中華民國全國建築師公會、 社團法人風工程學會 本研究所提保護係數等參數應用技術，尚須持續進行研究以求精確，並建議累積 更多不同形式防風設施模型實驗數據量，不同透孔率及幾何造型對防風之成效， 並加以歸納分析，且計算其相關可靠度，其數據資料庫結果可以提供沿岸居民或 工業區建築物使用，用以減低因風沙危害程度，資料庫累積至足夠資料量未來可 以建立規範以提供對於不同場地情況以及需求下建議的防風設施尺寸、孔隙大小 與形狀，以得到適合場地情況或需求的減風效果。未來可提出風力規範增修建議 內容，並充分在都市設計及審議之環境影響評估中，建立合宜的評估機制。

Abstract

Key words: Three-dimensional traverse system, windproof facility, windbreak Wind erosion is a serious problem which significantly affects building and quality of living environment at the West Coast of Taiwan, also an important type of research in the region of wind engineering. The windproof facility like windbreak forest, windbreak fence, windbreak wall and windbreak mesh would be chosen for investigating the windproof efficiency of this type of windproof facility. However, the flow field behind the windbreak represents highly three-dimensional phenomenon because of three-dimensional turbulence effect, and the efficiency of windbreak would be significantly affected by porosity of mesh and geometric shape. Thus the data would be collected by three-dimensional measurement and the wind speed, turbulence intensity and the other characteristics in the flow field behind the

windbreak can be analyzed. Observation of wind-reduction effect and the influenced field of different windbreak model would be reported and compared to reference. In this study, a three-dimensional traversing mechanism was built in the ABRI wind tunnel, which was subsequently employed to measure the flow field behind a fence. The fence model was completed immersed in the incoming boundary layer. The experiment was carried out with a three-dimensional Pitot tube. The other experiment was conducted in a small wind tunnel, in which the height of the fence model was much larger than the thickness of the incoming boundary layer. Velocity measurements were carried out with an X-type hot wire probe. Thus, the results obtained in the two wind tunnel facilities were compared and discussed with reference to the experimental conditions, which were described in terms of the Reynolds number based on the height of the fence, the porosity of the fence, and the ratio of the fence height versus the thickness of the incoming boundary layer.

第一節 研究緣起

風蝕在台灣西部沿岸是一個相當嚴重的問題，在風工程上也是一個重要的研 究方向，該效應會對建築物與居住環境的品質有重要的影響，本研究團隊乃針對 一些防風措施，如防風林、防風柵、防風牆與防風網等措施挑選出常見的方式進 行研究，目的在於研究該類型設施對於防風的效應。然而，防風設施的流場具相 當複雜的三維性，此乃因其三維紊流現象所致，如果以二維移動機構進行量測需 要花費相當大的時間與人力，因此建置三維移動機構對本研究之執行非常重要。 本研究欲針對風洞實驗室現有的二維移動機構進行改置成三維機構，以利後續量 測工作，並且進行防風設施之三維風場測量，將結果與文獻研究結果比對。 台灣是一個四面臨海的環境，在土地資源有限下，部分建築或工廠集中區域 都鄰近海邊，該類區域的強風危害較為強烈，例如雲林麥寮工業區一直以來都因 位於海邊，該區域平均風速較其他都市行政區域為大，加上海風具有鹽分會增加 其設備鏽蝕機率，且會有風沙運動造成廠區內的沙堆積。在一般防風設施上可加 裝防風網（柵）、圍籬或種植防風林以減低強風的影響，影響防風設施效能的因 素包括其孔隙率與後方流場迴留區域的大小等，這些影響因子為防風設施在設置 前須加以考量。 本研究利用防風設施模型進行風洞實驗，以三維風速的量測方法對模型前方 及後方流場進行數據收集，並評估不同透孔率及幾何造型對防風之成效，進一步 分析在防風設施下游流場分佈狀況，觀察不同模型對減風效應及影響範圍、模型 後方紊流強度及近地面的剪應力等，藉由這些數據瞭解防風措施的作用。風場量 測須要一個適當的三維移動機構，以節省實驗時間及人力，但目前風洞實驗室之 移動機構僅為二維，因此如何提升此移動機構性能至三維，為本研究之重要工作 項目之一。 本研究挑選一個防風措施設計，進行縮小尺寸的模擬。首先假設在無防風措 施下該區域流場分布除近地表區域之外為均勻，其次加裝防風措施後，量測流場 分布，呈現其差異程度，進行防風措施相關物理參數(例如防風網透孔率)的比較， 討論不同防風設施所造成的影響，包括整個分離流區域及近地面剪應力之影響程 度，以定量方式表現，並建議防風措施之主要設計參數。 本研究分為下三階段來完成本研究計畫之預期成果。 1.建置風洞試驗區內三維流場量測機構及其驅動軟體。 2.完成不同防風設施的三維流場特性分析，並歸納出不同透孔率及構型的效益。 3.風洞實驗分析之成果，可應用於實際強風區域之防風效益評估，進而提供建築 物理環境之應用參考。

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第二節 研究背景

氣流經一有限高度的阻礙物時，被迫使分離且呈現高度的三維性，如果要得 到一個空間分佈的風場量測結果，使用三維移動機構及相關儀器設備將可大幅減 低人力需求。在考量實驗室人力須要充分且妥適應用下，本研究將針對目前風洞 實驗室二維移動機構進行規劃改置成三維移動機構，同時將相關驅動設備更新及 撰寫控制程式。三維移動機構完成後，將以一標準模型，例如圓柱，風場進行量 測，並與文獻相關研究結果進行比對及分析。 此外，本研究另一個重點是利用不同形式防風設施模型進行風洞實驗，利用 三維風速的量測方法針對模型前方及後方流場進行觀察，並評估不同透孔率及幾 何造型對防風之成效，進一步分析在防風設施下游流場分佈狀況，觀察不同模型 對減風效應及影響範圍、模型後方紊流強度及近地面的剪應力等，藉由這些數據 瞭解防風措施的作用。 在鬆軟土地表面上，當氣流經過時，由於風之氣動力作用下會將細微的沙粒 揚起，而破壞土壤表面，此為風蝕現象。該現象嚴重則會影響居住品質，建築物 較接近海邊則會減低建築物使用年限。一般人為處理模式有種植防風林、設立防 風柵、建造防風土堤等，本研究將針對常見的防風措施，以台灣某一實際區域進 行模擬，了解防風措施之效應，及相關氣動力學現象。 因為該流場具顯著的三維性，若能將既有的二維移動機構進行修改成為三維 移動模式，同時針對相關控制系統以程式化方式進行操作，必要時利用圓柱或其 他常見鈍型體模型進行實驗驗證，以確定其機構之實用性，將可提升實驗室未來 三維風場量測之檢測能力有，及實驗室人力資源應用效率，並提高實驗量測之精 確度。防風措施相關研究亦可以對於微型氣候研究有相當程度幫助，其資料結果 對於都市建築設計上可以作為參考應用，也可建立實驗室針對防風措施等大型基 地模型之風場評估及檢測分析能力。 關於防風措施的影響，國內研究[1-9]對於防風措施的設計與減風效果已進行 了相當多的探討，累積了許多實驗數據，顯示該類問題在台灣風環境的研究領域 受到重視。國外也有相當多這方面的研究報告，例如參考文獻[10-17]，提供了豐 富的流場資訊，包含平均速度，紊流擾動強度與雷諾應力分布數據等。以上參考 文獻數據將做為本研究三維風場量測結果比較之參考，預期本研究成果一方面可 驗證本研究三維流場量測方法之準確性，另一方面將可深入討論此紊流流場之三 維性。詳細內容如下章節所示。

第一節 阻風牆空氣動力特性

1959 年 Kaiser[18]第一個說明“平均風削減(mean wind reduction)”和“風 防護(wind protection)”之間的差別，指出較低透孔率的風阻牆雖然會減低較 多的平均風速，但是其尾流中的高強度紊流則會使風防護的效率降低。 1967 年 Good 與 Joubert[19]利用皮托管以及在平板上的壓力孔量測流場中 的壓力分佈，藉此得知壓力梯度與速度分布，而發現對於零壓力梯度流場，形狀 阻力的變化與鈍板高度 h 有關，而鈍板尾流型態相似於“壁面法則(law of the wall)”和“缺速法則(velocity-defect law)”下的邊界層速度剖面圖。其逆向 壓力梯度流場的數據與“尾流法則(law of wake)”有較大的相關性。鈍板上游 面的壓力可用“壁面相似法則(wall-similarity law)”，且與流場的壓力梯度 歷程無關，甚至是在h_δ >1情形下；上游引發的分離與 Stratford-Townsend type 相似。在 1 2 h δ > 的情形下，邊界層流場歷程的效果只會出現在後方的分離泡流 場中。鈍板下游的基部壓力也對自由流壓力梯度相當敏感。當h δ 減少時，鈍板 對上游邊界層的相對影響範圍會急速的增加。 圖 2-1. 實驗配置以及變數定義位置[19]

（資料來源：“The form drag of two-dimensional bluff-plates immersed in turbulent boundary layers”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, part 3, pp. 547-582, 1968.）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-2. 擋風牆上游的表面壓力分布，其中 1 p C 為壓力係數、h為擋風牆高度[19]

（資料來源：“The form drag of two-dimensional bluff-plates immersed in turbulent boundary layers”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, part 3, pp. 547-582, 1968.）

圖 2-3. 鈍板上游影響範圍[19] 7

1 1

U X _×

圖 2-4. 顯示 1 D C 對外流場變數的依賴性。其中 0.5 2 1 0.5 1 w U U U τ τ ρ   =     [19] （資料來源：“The form drag of two-dimensional bluff-plates immersed in turbulent

boundary layers”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, part 3, pp. 547-582, 1968.）

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（資料來源：“The form drag of two-dimensional bluff-plates immersed in turbulent boundary layers”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, part 3, pp. 547-582, 1968.）

圖 2-6. 阻力係數C 、_D C 的不變量測試，實線代表壁面相似關係式[19] _Dh

（資料來源：“The form drag of two-dimensional bluff-plates immersed in turbulent boundary layers”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, part 3, pp. 547-582, 1968.）

圖 2-7. 位移厚度的判定[19]

（資料來源：“The form drag of two-dimensional bluff-plates immersed in turbulent boundary layers”, Journal of Fluid Mechanics, vol. 31, part 3, pp. 547-582, 1968.）

1969 年 Plate[20]量測並且繪出擋風牆下游處的速度剖面圖以及擾動剖面 圖，並且藉圖形了解擋風牆下游處的空氣動力學行為以及對擋風牆效率的影響。

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圖 2-8. 被障礙物影響的邊界層流區域[20]

（資料來源：“The Aerodynamics of Shelter Belts”, Agricultural Meteorology, vol. 8, pp. 203-222, 1971.）

圖 2-9. 擋風牆下游處之速度剖面圖[20]

圖 2-10. 擋風牆下游處之擾動剖面圖[20]

（資料來源：“The Aerodynamics of Shelter Belts”, Agricultural Meteorology, vol. 8, pp. 203-222, 1971.）

圖 2-11. 沿著地面的壓力分佈[20]

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第二節 阻力與力矩的估計

1972 年 Seginer 與 Sagi[21]則提出了計算擋風牆上風所造成的阻力與力矩 的方法。如果接近阻力與力矩的判定，則可以藉由足夠遠離擋風牆的面包圍而成 的控制容積上力與力矩的平衡輕易得到表面上壓力分布與剪力分布。阻力估計公 式如下式：

(

)

1 2 2 2 *0 1 D u h ξ d ξ ρ η ξ =

∫

− 其中u 為摩擦速度(friction velocity)、_*0 h為擋風牆高度、η則為速度與 自由來流速度的比值 o u u 或無因次化速度、ξ則為水平方向距離與擋風牆高度的 比值x h或為無因次化距離。 圖 2-12. 均質表面的內部邊界層中控制容積的建議位置[21] （資料來源：“Drag on a windbreak in two-dimensional flow”, Agricultural Meteorology, vol.9, pp. 323-333, 1972.）

第三節 評估不同防風網的風削減程度

1977 年 Raine 和 Stevenson[22]在風洞中建立一個粗糙長度(roughness length)為 50mm、邊界層厚度為 900mm 的模擬大氣邊界層，並且透過熱線測速儀 量測二維擋風牆以及透孔率 20%、34%及 50%防風網的平均風速、風速的方均根值 與能量頻譜。而評估不同防風網的風削減程度則是藉由比較下列積分式的值： 全速度： 1.5 45 0 0 o U x z d d U H H            

∫ ∫

其中U 為不同高度的平均速度、U_o為遠離障礙物之上游處與U 位置相同的 平均速度、 H 為障礙物高度。

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-13. 不同透孔率之防風網下游處的 o U U 等速線(isotach) [22]

（資料來源：“Wind Protection by Model Fences in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.2, pp. 159-180, 1977.）

圖 2-14. 不同透孔率之防風網下游處的u

U

′

等擾動線(isoturb) [22] （資料來源：“Wind Protection by Model Fences in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.2, pp. 159-180, 1977.）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-15. 不同透孔率之防風網下游處的 H u U ′ 等擾動線。[22] 其中U_H為x=0,z=H 處之風速，此處U_H 11.34m s =

（資料來源：“Wind Protection by Model Fences in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.2, pp. 159-180, 1977.）

圖 2-16. 在 z 0.4 H = 與 0.6 時四種防風網之 u U ′ 與 o U U 關係圖[22]

（資料來源：“Wind Protection by Model Fences in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.2, pp. 159-180, 1977.）

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圖 2-17. 不同透孔率防風網下游處之能量頻譜。虛線代表遠離防風網上游處之 能量頻譜[22]

（資料來源：“Wind Protection by Model Fences in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.2, pp. 159-180, 1977.）

圖 2-17(續). 不同透孔率防風網下游處之能量頻譜。虛線代表遠離防風網上游 處之能量頻譜[22]

（資料來源：“Wind Protection by Model Fences in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.2, pp. 159-180, 1977.）

而藉由這些實驗，可以驗證低透孔率至中透孔率的防風網之風削減效果比擋 風牆的風削減效果還好，因此可以在同樣價格之下建立較高的擋風柵來得到更大 的保護區域。

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第四節 不同類型擋風牆

1979 年 Gandemmer[23]做了非常多實驗探討擋風牆的空氣動力效應，透過熱 線測速儀量測擋風牆背風側的速度而得到等風速線、等擾動線以及其他等參數曲 線(isocurve)，並且得到特定級數等參數曲線包圍而成的保護面積。還將擋風牆 的形狀、透孔率、大小、尾流透氣(wake ventilation)對於保護面積的影響整理 出來。定義無因次化風速 ref U U U + = 以及無因次化擾動 ref σ σ σ + = ，其中U 為時間 平均速度、U_ref 則為同高度但遠離擋風牆的上游處所量測的參考時間平均速度、 σ 為風速標準差、σ 為同高度但遠離擋風牆的上游處所量測的參考風速標準差，_ref 並且以無因次化風速和無因次化擾動繪出等參數曲線。

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.）

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表 2-2(續). 實驗中所使用的不同類型擋風牆[23]

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.）

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.）

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（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.） 圖 2-19. BV2 型式擋風牆(實心擋風牆)下游處之無因次化等速線、其中 ref U U U + = [23]

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.） 圖 2-20. BV2 型式擋風牆(實心擋風牆)下游處之等參數曲線、其中 Uref ref f U σ σ + = +

1979.） 圖 2-21. BV8 型式擋風牆(20%透孔率防風網)下游處之無因次化等速線、其中 ref U U U + = [23]

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 ref ref U f U σ σ + = + [23]

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.） 圖 2-23. BV23 型式擋風牆(兩個 20%透孔率防風網，相間距離為 9 倍高度)下游 處之無因次化等速線、其中 ref U U U + = [23]

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.）

處之等參數曲線、其中 f

U σ

=

+ [23]

（資料來源：“Wind Shelters”, Journal of Industrial Aerodynamics, vol.4, pp.371-389, 1979.） 2012 年苗君易等人[24]以三維動態皮托管以及可視流等實驗方法針對不同 防風網構型做調查。 圖 2-25. A 構型擋風牆[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-26. B 構型擋風牆[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-27. C 構型擋風牆[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-28. 無擋風牆之速度分布[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

圖 2-29. A 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-30. A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆之尾流速度分布[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-31. A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆之尾流速度(u +w)分布 其風向與擋風牆夾角為 30 o[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-32. A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆之尾流速度(u +v)分布 其風向與擋風牆夾角為 30 o[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

圖 2-33. B 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-34. C 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布(量測截面一) [24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-35. C 構型無防風網擋風牆之尾流速度分布(量測截面二) [24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-36. A 構型附 50%透孔率防風網擋風牆之垂直斷面可視流結果[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

圖 2-37. B 構型無透孔擋風牆可視流實驗結果 其風向與擋風牆夾角為 30 o[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 2-38. B 構型附 50%透孔率防風網擋風牆可視流實驗結果 其風向與擋風牆夾角為 30 o[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 2-39. C 構型附 50%透孔率防風網擋風牆之可視流結果 其風向與擋風牆夾角為 30 o[24] （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

第一節 研究採用之方法

本研究採用風洞實驗方法，將考慮一種防風措施設計，使用數個不同防風網 型式，進行縮小模型實驗，對不同孔隙率之防風網進行相關氣動力實驗，並評估 其防風效果的影響。 本研究團隊設計的防風擋牆概念設計如圖 3-1 及圖 3-2 所示，其結構主要 包含下方混凝土基座及上方的防風網，二者高度均為 3 m，因此防風擋牆合計高 度為 6 m，上方的防風網的透孔率為可調。有鑑於進入冬季時臺灣西部沿海地區 將受到強勁東北季風吹襲，此一防風擋牆預計將選擇西部沿海地區一處以東西向 佈置，其剖面側視圖參見圖 3-3，擋風牆於海岸設置初步規劃俯視圖參見圖 4， 擋風牆的前後方均設置有一養護區域，作為積沙清運及經常保養的用途。擋風牆 之佈局是本計畫的研究重點，需考慮的實際因素有：風之來向、積沙之清運、施 工及維護之便利等方面。本團隊將規劃自行設計有三種不同透孔率之攔沙柵網， 參見圖 3-2。 一般常用之防風網結構如圖 5 所示，本團隊為了瞭解上述三種不同透孔率之 防風網之防風性能，將製作 1/25 比例的擋風牆模型，因此原本 6 m 高的擋風牆， 縮小至 24 cm 高，而每一透孔率又分為有防風網及無防風網兩種配置進行吹試， 以作為實驗對照。 混凝土擋牆 攔砂柵網 圖 3-1. 擋風牆概念設計側視圖 （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 攔砂柵網 圖 3-2.擋風牆及防風網概念設計正視圖 （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 混凝土擋牆 養護區域 養護區域 攔砂柵網 防風林 圖 3-3. 擋風牆於海岸設置初步規劃側視圖 （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

養護區域 混凝土擋牆與攔砂柵網 養護區域 圖 3-4. 擋風牆於海岸設置初步規劃俯視圖 （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究） 圖 3-5. 一般常用之防風網結構 （資料來源：財團法人成大研究發展基金會 (2012)，麥寮區揚塵/海鹽防制開發 之規劃研究）

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第二節 研究採用方法之原因

本研究研究預期目標首要改善二維移動機構為三維機構，並進行相關設計及 製作。待完成後，將進行風洞流場品質量測，再與先前研究結果進行比對。其次， 關於防風設施實驗研究，將收集國內外相關文獻，規劃與進行三維風場量測，將 所得到結果歸納出相關趨勢以工業及農業界利用，並與國內外相關文獻結果比較 驗證。 本研究預計可能遭遇之困難及解決途徑，係移動機構設計及改善因橫向跨距 大（4 公尺）必需要考量到結構強度及移動精確度，因此將針對機構橫向滑桿進 行補強，同時必需將原有之夾具設備應用至新的機構上。移動距離之精確度，本 研究將利用步進馬達當作驅動元件並配合自行撰寫之控制程式，將最精度控制到 1mm。 模擬區域選定問題，則選擇防風設施需求較大地點為主，例如：雲林、彰化 及通宵沿海地區等其中一處，進行模擬，以便得到結果可以立即提供給相關產業 界參考使用。 本研究在進行防風設施改善量測時，採用三維動態皮托管或恆溫式三維熱線 測速儀搭配三維移動機構，進行區域性的量測，並分析在不同組合下，防風設施 改善情況，將流場資訊，包含平均速度，紊流擾動強度與雷諾應力分布，以圖表 方式呈現，與文獻結果比較，顯示其異同之處。 圖 3-6. 三維移動機構架設圖 （資料來源：本研究整理）

表 3-1. 研究步驟流程

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第四節 三維移動機構製作

本研究計畫執行進度以改善三維移動機構設計為前提，待三維移動機構組裝 測試完成後再進行相關研究實驗，三維移動機構區分有三維移動機構主體、五相 步進馬達單元、五相步進馬達驅動器、驅動控制及資料收集系統軟體四部份。 1. 三維移動機構主體部份，已經完成機構設計並完成加工製造圖，移動機構份 零組件製作完成照片。 圖 3-7. 三維移動機構組合零組件圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-8. 三維移動機構探針支架圖 （資料來源：本研究整理）

圖 3-9. 三維移動機構 Z 軸線性滑軌 （資料來源：本研究整理）

圖 3-10. 三維移動機構 X 軸線性滑軌 （資料來源：本研究整理）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 3. 五相步進馬達單元部份。 圖 3-11. 三維移動機構驅動五相步進馬達 （資料來源：本研究整理） 4. 五相步進馬達驅動器部份。 圖 3-12. 三維移動機構五相步進馬達驅動器 （資料來源：本研究整理）

式控制模式操作人機介面及另一為連續式控制模式操作人機介面。

圖 3-13. 步進式控制模式操作人機介面 （資料來源：本研究整理）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 （資料來源：本研究整理） 6. 三維移動機構主體組裝測試完成。 圖 3-15. 三維移動機構主體圖 （資料來源：本研究整理）

不同防風設施的三維流場特性分析，1/25 實驗擋風牆模型。 圖 3-17. 擋風牆 （資料來源：本研究整理） 圖 3-19. 無透孔防風網 （資料來源：本研究整理） 圖 3-18. 透孔率 50%防風網 （資料來源：本研究整理）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究

第六節 風洞吹試

本研究進行擋風牆模型風洞吹試將以台灣西部沿岸地況為標的，故先行就無 地況之邊界層流場及α=0.15 之 C 地況之邊界層流場進行風洞吹試。 本研究先行就無地況之邊界層流場量測位置於第一測試區的第二迴轉盤前 緣，使用的實驗儀器有： 1. 風扇型風速計 另一個風速量測系統是由Omega公司所製造的風扇型風速計如圖3-18. 所示，型號為HHF141，連接一台主機，此風速計適合量測0.2m~40 m/s之 風速，量測的環境溫度必須在-20~100度，解析度為0.01m/s。 圖 3-20.皮托管及扇型風速計 （資料來源：本研究整理） 2. 皮托管 在自由來流位置架設一皮托管，如圖3-18.，主要進行來流平均風速 之量測，由皮托管所量測到的壓力差值，利用薄膜型壓力轉換器(圖3-20)， 將壓力差以電壓形式輸出至壓力轉換電壓顯示器(圖3-19)，再透過NI 資 料擷取系統(圖13)，將資料傳回電腦，依據伯努利方程式(Bernoulli equation)計算出相應之風速。計算式如下： , , 2 _u u q V ρ ∞ ∞ ∞ =

3. NI DAQ 資料擷取系統

實 驗 所 量 測 之 類 比 訊 號 式 經 由 NI DAQ 9172 擷 取 後 作 類 比 數 位 (analog-digital)轉換，如圖3-21.所示。本系統最高可連結八個模組， 時間解析度(Timing resolution)為50ns，取樣頻率(Sampling rate)最高 可達3.2MHz。配合四個NI 9215模組，每個模組共有四個訊號輸入端，並 具有同步取樣功能(sample and hold)，可同步取樣±10V的四個輸入通道， 電壓輸出解析度可達0.3mV。本模組最高取樣頻率為100kHz，具有16-bit 之解析度，經由USB傳輸至電腦存取資料。 圖 3-23.資料擷取系統 （資料來源：本研究整理） 4. 熱線測速儀 熱線測速探針依其操作原理不同，可分為定電流熱線測速儀(CCA)及 恆溫測速儀(CTA)兩種，其量測原理乃利用惠斯登電橋(Wheatstone's bridge)之平衡作用，恆溫測速儀(如圖3-22)是利用回授線路保持感測器 的溫度為定值，而由回授放大器的輸出電壓得到與熱散失間的關係。 另本實驗將使用丹麥DANTEC公司製造之Streamline恆溫型熱線測速 儀主機(constant temperature hot-wire anemometer，系統進行流場量 測，此儀器具50KHz頻率響應能力，使用二維交叉式(X type) 型號55P61 熱線測速探針，直徑為5μm，長度1.25mm，適用於低紊流流場。由於熱線 測速儀之電子回授線路可能有飄移(drifting)發生，因此在每次使用之前， 都必須進行探針校正，以避免造成實驗量測數據產生誤差現象。

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究

圖 3-24. Streamline 恆溫型熱線測速儀主機 （資料來源：本研究整理）

5. 三維動態皮托管

三維動態皮托管（Cobra Probe）是由 Turbulent Flow 公司製造，是一個 多孔壓力探針且能夠即時量測 3 組的速度和局部靜態壓力，量測的頻率響應 可達 2kHz 以上，特別適合於測量擾動流場也可以準確的量測平均流量，量 測的擾動強度可達 30 ％，量測速度由 2 到 100 米/秒，可量測來流±45 ° 錐角之流場，量測速度不確定度為±0.5 米/秒，量測俯仰角和翻滾角不確定 度為±1 度。 圖 3-25. 三維動態皮托管示意圖 （資料來源：本研究整理）

在無地況之邊界層流場量測，來流風速為 6.101m/s，量測高度由地表 10mm 至 1700mm，量測結果見圖 3-23.其中紅色線為熱線測速儀實測值與藍色線為理 論值兩者比較相差不大，邊界層厚度為 350mm，量測流場紊流強度見圖 3-24.， 在邊界層內紊流強度近地表達 8.2%，高度增高紊流強度逐漸降低至脫離邊界層 下降為 1%。 圖 3-26. 無地況之邊界層流場理論值與二維熱線測速儀量測之比較 （資料來源：本研究整理） 圖 3-27. 無地況之邊界層流場紊流強度 （資料來源：本研究整理）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 在 C 地況α=0.15 之邊界層流場量測，來流風速為 6.5m/s，量測高度由地表 10mm 至 1700mm，量測結果見圖 3-27.其中紅色線為熱線測速儀實測值與藍色線 為理論值比較有差距，量測流場紊流強度見圖 3-28.，在邊界層內紊流強度近地 表達 12.5%，當高度增高至 1700mm 紊流強度下降為 3.5%。在此流況下紊流強度 實屬偏高，流場速度分布不夠平順。 圖 3-28. 熱線探針 圖 3-29.α=0.15 C 地況 （資料來源：本研究整理） （資料來源：本研究整理） 圖 3-30. C 地況之邊界層流場理論值與二維熱線測速儀量測之比較 （資料來源：本研究整理）

圖 3-31. C 地況之邊界層流場紊流強度 （資料來源：本研究整理）

第七節 風洞實驗

為了瞭解在二維情況下不同邊界層厚度之擋風牆尾流速度分布、紊流強度分 布以及保護係數(protection factor)分布，本研究先於國立成功大學航太系流 體感測系統實驗室的循環式小型風洞內設置不同的擋風牆模型和紊流產生裝置， 並且以熱線測速儀量測在擋風牆正中央下游處的速度。風洞測試段長度為 1500mm，截面為 150mm╳150mm。根據 Gandemmer[23]，保護係數定義為 ref ref U f U σ σ + = + ，其中U 為時間平均速度、Uref 則為同高度但遠離風阻牆的上游處 所量測的參考時間平均速度、σ 為風速標準差、σ 為同高度但遠離擋風牆的上_ref 游處所量測的參考風速標準差。無因次化速度則是定義為

( )

( )

ref U y U y ，意為以上游 處同高度處的時間平均速度為參考速度來進行無因次化。

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 3-32. 小型風洞示意圖。截面為150mm × 150mm。 （資料來源：本研究整理） 圖 3-33. 無防風網擋風牆模型，高度為 30mm （資料來源：本研究整理）

圖 3-34. 有防風網擋風牆模型。透孔與實心部分各佔一半， 整體高度為 30mm。防沙網透孔率約 70% （資料來源：本研究整理） 第一種情況為無防風網之擋風牆，自由來流邊界層厚度大約為 4mm，自由來 流速度約為 9.2m/s，自由來流紊流強度約為 1.1%。 圖 3-35. 第一種情況之擋風牆下游速度分布 （資料來源：本研究整理） X(mm) Y(m m )

Velocity-contours behind W indbreak Unit of Contour: m/s 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 4 6 8 10 12

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 3-36. 第一種情況之擋風牆下游無因次化速度分布。H 為擋風牆高度 （資料來源：本研究整理） 圖 3-37. 第一種情況之擋風牆下游紊流強度輪廓線 （資料來源：本研究整理） 圖 3-38. 第一種情況之自由來流紊流強度剖面圖 （資料來源：本研究整理） X/H Y/ H

Non-dimsionalized Velocity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 40 60 80 100 120 140 X(mm) Y(m m )

Turbulence Intensity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 10 20 30 40 50 60 70 Turbulence Intensity (%) Y(m m )

圖 3-39. 第一種情況之擋風牆下游無因次化距離紊流強度輪廓線 （資料來源：本研究整理） 圖 3-40. 第一種情況之擋風牆下游保護係數輪廓線 （資料來源：本研究整理） 圖 3-41. 第一種情況之擋風牆下游無因次化距離保護係數輪廓線 （資料來源：本研究整理） X/H Y/ H -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 5 10 15 20 25 30 X(mm) Y(m m )

Protection Factor-contours behind W indbreak

0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 1 1.5 2 2.5 X/H Y/ H

Non-dimsionalized Protection Factor-contours behind W indbreak

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 1 1.5 2 2.5

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 第二種情況為有防風網之擋風牆，自由來流邊界層厚度約為 4mm，自由來流 速度約為 6.8m/s，自由來流紊流強度約為 0.8%。 圖 3-42. 第二種情況之擋風牆下游速度分布。 （資料來源：本研究整理） 圖 3-43. 第二種情況之擋風牆下游無因次化速度分布 （資料來源：本研究整理） 圖 3-44. 第二種情況之擋風牆下游處紊流強度輪廓線 （資料來源：本研究整理） X(mm) Y(m m )

Velocity-contours behind W indbreak Unit of Contour: m/s 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 2 4 6 8 X/H Y/ H

Non-dimsionalized Velocity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 20 40 60 80 100 120 X(mm) Y(m m )

Turbulence Intensity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 5 10 15 20

圖 3-45. 第二種情況之自由來流紊流強度剖面圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-46. 第二種情況之擋風牆下游無因次化距離紊流強度輪廓線 （資料來源：本研究整理） 圖 3-47. 第二種情況之擋風牆下游保護係數輪廓線 （資料來源：本研究整理） 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 10 20 30 40 50 60 Turbulence Intensity (%) Y(m m ) X/H Y/ H

Non-dimsionalized Turbulence Intensity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 5 10 15 20 X(mm) Y(m m )

Protection Factor-contours behind W indbreak

0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 3-48. 第二種情況之擋風牆下游無因次化距離保護係數輪廓線 （資料來源：本研究整理） 第三種情況為有防風網之擋風牆，自由來流邊界層厚度約為 30mm，自由來 流速度約為 6.8m/s，自由來流紊流強度約為 0.8%。 圖 3-49. 第三種情況之擋風牆下游速度分布 （資料來源：本研究整理） 圖 3-50. 第三種情況之擋風牆下游無因次化速度分布 （資料來源：本研究整理） X/H Y/ H

Non-dimsionalized Protection Factor-contours behind W indbreak

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5 6 7 X(mm) Y(m m )

Velocity-contours behind W indbreak Unit of Contour: m/s 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 X/H Y/ H

Non-dimsionalized Velocity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 20 40 60 80 100 120

圖 3-51. 第三種情況之擋風牆下游紊流強度輪廓線 （資料來源：本研究整理） 圖 3-52.第三種情況之自由來流紊流強度剖面圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-53. 第三種情況之擋風牆下游無因次化距離紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） X(mm) Y(m m ) 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 5 10 15 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 Turbulence Intensity (%) Y(m m )

Free-stream Turbulence Intensity Profile

X/H

Y/

H

Non-dimsionalized Turbulence Intensity-contours behind W indbreak Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 5 10 15 20

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 3-54. 第三種情況之擋風牆下游保護係數輪廓線 （資料來源：本研究整理） 圖 3-55. 第三種情況之擋風牆下游無因次化距離保護係數輪廓線 （資料來源：本研究整理） 而為了瞭解三維情況下不同邊界層厚度如何影響有限長擋風牆尾流速度、紊 流強度及保護係數分布，本研究在內政部建築研究所風洞實驗室的循環式風洞內 設置不同的有限長擋風牆模型，使用三維移動機構安裝三維動態皮托管量測在擋 風牆正中央下游處的速度分布。模型有以下三種： A 模型：擋風牆 12 cm 高，50%透孔率防風網 12 cm 高； B 模型：擋風牆 24cm 高，無防風網； C 模型：擋風牆 12cm 高，無防風網； X(mm) Y(m m )

Protection Factor-contours behind W indbreak

0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 X/H Y/ H

Non-dimsionalized Protection Factor-contours behind W indbreak

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5

圖 3-56. A 模型示意圖，實心擋牆高度 12cm、防風網高度 12cm （資料來源：本研究整理）

圖 3-57. B 模型示意圖，實心擋牆高度為 24cm （資料來源：本研究整理）

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 （資料來源：本研究整理） 圖 3-59. 自由來流之邊界層剖面圖 （資料來源：本研究整理） A 模型實驗結果： 圖 3-60. A 模型擋風牆下游之速度分布圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-61. A 模型擋風牆下游之無因次化速度分布圖 （資料來源：本研究整理） 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 100 200 300 400 500 600 Turbulence Intensity (%) Y(m m )

Free-stream Turbulence Intensity Profile

X(mm)

Y(m

m

)

Velocity-contours behind W indbreak Model A Unit of Contour: m/s 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 4 6 8 10 12 X/H Y/ H

Non-dimensionalized Velocity-contours behind W indbreak Model A Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 50 100 150 200

圖 3-62. A 模型擋風牆下游之紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-63. A 模型擋風牆下游之無因次化距離紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-64. A 模型擋風牆下游之保護係數輪廓圖 （資料來源：本研究整理） X(mm) Y(m m ) 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 10 20 30 X/H Y/ H

Non-dimensionalized Turbulent Intensity-contours behind W indbreak Model A Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 10 20 30 40 X(mm) Y(m m )

Protection Factor-contours behind W indbreak Model A

0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 3-65. A 模型擋風牆下游之無因次化距離保護係數輪廓圖 （資料來源：本研究整理） B 模型實驗結果： 圖 3-66. B 模型擋風牆下游之速度分布圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-67. B 模型擋風牆下游之無因次化速度分布圖 （資料來源：本研究整理） X/H Y/ H

Non Dimensionalized Protection Factor-contours behind W indbreak Model A

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 X(mm) Y(m m )

Velocity-contours behind W indbreak Model B Unit of Contour: m/s 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 2 4 6 8 10 12 X/H Y/ H

Non-dimensionalized Velocity-contours behind W indbreak Model B Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 50 100 150 200

圖 3-68. B 模型擋風牆下游之紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-69. B 模型擋風牆下游之無因次化距離紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-70. B 模型擋風牆下游之保護係數輪廓圖 （資料來源：本研究整理） X(mm) Y(m m ) 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 10 20 30 40 X/H Y/ H

Non-dimensionalized Turbulent Intensity-contours behind W indbreak Model B Unit of Contour: % -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 10 20 30 40 50 X(mm) Y(m m )

Protection Factor-contours behind W indbreak Model B

0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

流場三維量測方式建置暨應用至 防風措施影響效應評估之研究 圖 3-71. B 模型擋風牆下游之無因次化距離保護係數輪廓圖 （資料來源：本研究整理） C 模型實驗結果： 圖 3-72. C 模型擋風牆下游之速度分布圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-73. C 模型擋風牆下游之無因次化速度分布圖 （資料來源：本研究整理） X/H Y/ H

Non Dimensionalized Protection Factor-contours behind W indbreak Model B

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 X(mm) Y(m m )

Velocity-contours behind W indbreak Model C Unit of Contour: m/s -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150 200 250 300 2 4 6 8 10 X/H Y/ H

Non-dimensionalized Velocity-contours behind W indbreak Model C Unit of Contour: % -2 0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 40 60 80 100 120 140 160 180

圖 3-74. C 模型擋風牆下游之紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-75. C 模型擋風牆下游之無因次化距離紊流強度輪廓圖 （資料來源：本研究整理） 圖 3-76. C 模型擋風牆下游之保護係數輪廓圖 （資料來源：本研究整理） X(mm) Y(m m ) -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150 200 250 10 15 20 25 30 35 40 X/H Y/ H

Non-dimensionalized Turbulent Intensity-contours behind W indbreak Model C Unit of Contour: % -2 0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 10 15 20 25 30 35 40 45 X(mm) Y(m m )

Protection Factor-contours behind W indbreak Model C

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150 200 250 300 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4