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風場通透樹木特性模式(3/3)

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全文

(1)

風 場 通 透 樹 木 特 性 模 式

之 建 立 與 應 用 (3/3)

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 100 年 12 月

(2)
(3)

100301070000G1037

風 場 通 透 樹 木 特 性 模 式

之 建 立 與 應 用 (3/3)

研究主持人:黎益肇

協同主持人:劉介元

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 100 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 )

(4)
(5)

目次

目 次

目次

··· I

表次

··· IV

圖次

···V

符號表

··· XV

摘 要

···XIX

ABSTRACT ···XXIII

第一章

緒 論 ···1

第一節

研究緣起與背景

··· 1

第二節

研究方法與流程

··· 2

第二章

理論背景 ···8

第一節

大氣邊界層

··· 8

第二節

樹木結構與風場之影響

··· 11

第三節

樹木風場阻力

··· 13

第三章

文獻回顧 ···20

第一節

相關文獻

··· 20

(6)

第二節

小結

··· 25

第四章

研究方法 ···28

第一節

實驗與量測設備

··· 28

第二節

數值模擬

··· 37

第三節

數據分析方法

··· 40

第五章

前期主要研究結果 ···44

第六章

風洞模型設定 ···53

第七章

結果與討論 ···61

第一節

數值模擬方法

··· 61

第二節

二維樹冠模型結果

··· 63

第三節

單株樹結果

··· 65

第八章

結論與建議 ···99

第一節

結論

··· 99

第二節

建議

··· 100

期初審查會議記錄與回應

··· 101

(7)

目次

期末審查會議記錄與回應

··· 105

參考書目

··· 107

(8)

表 次

2-1 地況參數表 ···9

2-2 樹木之 LAD 值隨高度分布 ···12

6-1 單株樹模型設定參數 ···56

7-1 矩形樹冠之

rh

值率定表

···67

7-2 三角形樹冠模型之

rh

(1D×1D)···67

7-3 三角形樹冠模型之

rh

(1D×2D)···68

7-4 單株樹 ST1 模型之

rh

···68

7-5 單株樹 ST2 模型之

rh

···68

(9)

圖次

圖 次

圖 1-1 研究規劃流程圖 ··· 6

圖 2-1 動量傳輸示意圖 ··· 11

圖 2-2 樹木對風場環境的影響 ··· 18

圖 2-3 葉面積指數與透風係數之關係圖 ··· 18

圖 3-1 典型樹木阻力係數分布圖(Sl

ádek 等[27]) 26

圖 3-2 現場量測示意圖(Yamaguchi 等[30]) ···· 26

圖 3-3 結果比較圖(Yamaguchi 等[30]) ··· 26

圖 4-1 內政部建築研究所風洞實驗室外觀 ··· 32

圖 4-2 風洞實驗室配置圖 ··· 32

圖 4-3 熱線測速儀量測原理示意圖 ··· 33

圖 4-4 裂膜探針(55R55) ··· 33

圖 4-5 皮托管 ··· 33

圖 4-6 薄膜式壓力計 ··· 33

圖 4-7 裂膜探針示意圖 ··· 34

(10)

圖 4-8 流速校正迴歸曲線(總反應電壓對風速之函數)

··· 34

圖 4-9 總反應電壓差對風攻角之關係圖 ··· 35

圖 4-10 反應電壓差對風攻角關係圖 ··· 35

圖 4-11 角度係數變化圖 ··· 36

圖 4-12 資料擷取系統 ··· 36

圖 4-13 LabView 介面 ··· 36

圖 4-14 透式邊界條件說明圖 ··· 42

圖 4-15 不透式邊界條件說明圖 ··· 42

圖 5-1 二維樹林模擬示意圖 ··· 48

圖 5-2 順風向平均風速剖面比較圖 ··· 48

圖 5-3 順風向紊流強度剖面比較圖 ··· 49

圖 5-4 前期簡化樹木模型設計示意圖 ··· 49

圖 5-5 前期簡化樹木模型風洞試驗照片 ··· 50

(11)

圖次

圖 5-7 橫向與縱向平均風速剖面圖 ··· 51

圖 6-1 風洞實驗配置照片 ··· 56

圖 6-2 樹叢模型試驗示意圖 ··· 57

圖 6-3 矩形樹冠模型照片(

0

=0.3 %) ··· 57

圖 6-4 矩形樹冠模型照片(

0

=0.5 %) ··· 58

圖 6-5 矩形樹冠模型照片(

0

=0.75 %) ··· 58

圖 6-6 三角形樹冠模型照片(1D

×1D)··· 59

圖 6-7 三角形樹冠模型照片(1D

×2D)··· 59

圖 6-8 單株模型樹 ST1 照片 ··· 60

圖 6-9 單株模型樹 ST2 照片 ··· 60

圖 7-1 矩形樹冠數值模擬區域示意圖 ··· 69

圖 7-2 矩形樹冠數值模擬網格配置圖 ··· 69

圖 7-3 三角形樹冠(1D

×1D)數值模擬區域配置圖 · 70

圖 7-4 三角形樹冠(1D

×1D)之數值模擬網格配置圖 70

圖 7-5 三角形樹冠(1D

×2D)數值模擬區域配置圖 · 71

(12)

圖 7-6 三角形樹冠(1D

×2D)之數值模擬網格配置圖 71

圖 7-7 單株樹之數值模擬配置圖 ··· 72

圖 7-8 單株樹之數值模擬網格配置圖 ··· 72

圖 7-9 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.15、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.4) ··· 73

圖 7-10 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.15、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.4) ··· 73

圖 7-11 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.15、

γ

0

=0.5%、

rh

=2.35) ··· 74

圖 7-12 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.15、

γ

0

=0.5%、

rh

=2.35) ··· 74

圖 7-13 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.15、

γ

0

=0.75%、

rh

=4.25) ··· 75

圖 7-14 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(13)

圖次

圖 7-15 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.25、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.9) ··· 76

圖 7-16 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.25、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.9) ··· 76

圖 7-17 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.25、

γ

0

=0.5%、

rh

=3.0) ··· 77

圖 7-18 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.25、

γ

0

=0.5%、

rh

=3.0) ··· 77

圖 7-19 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.25、

γ

0

=0.75%、

rh

=4.25) ··· 78

圖 7-20 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.25、

γ

0

=0.75%、

rh

=4.25) ··· 78

圖 7-21 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.5、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.75) ··· 79

圖 7-22 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(14)

(b/D=0.5、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.75) ··· 79

圖 7-23 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.5、

γ

0

=0.5%、

rh

=2.25) ··· 80

圖 7-24 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.5、

γ

0

=0.5%、

rh

=2.25) ··· 80

圖 7-25 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=0.5、

γ

0

=0.75%、

rh

=3.0) ··· 81

圖 7-26 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=0.5、

γ

0

=0.75%、

rh

=3.0) ··· 81

圖 7-27 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=1、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.35) ··· 82

圖 7-28 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=1、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.35) ··· 82

圖 7-29 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(15)

圖次

圖 7-30 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=1、

γ

0

=0. 5%、

rh

=2.0) ··· 83

圖 7-31 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=1、

γ

0

=0.75%、

rh

=3.0) ··· 84

圖 7-32 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=1、

γ

0

=0.75%、

rh

=3.0) ··· 84

圖 7-33 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=2、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.2) ··· 85

圖 7-34 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=2、

γ

0

=0.3%、

rh

=1.2) ··· 85

圖 7-35 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(b/D=2、

γ

0

=0.5%、

rh

=2.3) ··· 86

圖 7-36 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=2、

γ

0

=0. 5%、

rh

=2.3) ··· 86

圖 7-37 矩形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(16)

(b/D=2、

γ

0

=0.75%、

rh

=4.0) ··· 87

圖 7-38 矩形樹冠順風向紊流強度模擬結果比較圖

(b/D=2、

γ

0

=0.75%、

rh

=4.0) ··· 87

圖 7-39 矩形樹冠密度與厚度對

rh

關係之等值圖·· 88

圖 7-40 三角形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(1D

×1D) ··· 89

圖 7-41 三角形樹順風向紊流強度模擬結果比較圖

(1D

×1D) ··· 89

圖 7-42 三角形樹冠順風向平均風速模擬結果比較圖

(1D

×2D) ··· 90

圖 7-43 三角形樹順風向紊流強度模擬結果比較圖

(1D

×2D) ··· 90

圖 7-44 單株樹 ST1 下游 4D 順風向平均風速結果(實

驗值) ··· 91

(17)

圖次

值結果) ··· 91

圖 7-46 單株樹 ST1 下游 6D 順風向平均風速結果(實

驗值) ··· 92

圖 7-47 單株樹 ST1 下游 6D 順風向平均風速結果(數

值結果) ··· 92

圖 7-48 單株樹 ST1 下游 4D 順風向紊流強度結果(實

驗值) ··· 93

圖 7-49 單株樹 ST1 下游 4D 順風向紊流強度結果(數

值結果) ··· 93

圖 7-50 單株樹 ST1 下游 6D 順風向紊流強度結果(實

驗值) ··· 94

圖 7-51 單株樹 ST1 下游 6D 順風向紊流強度結果(數

值結果) ··· 94

圖 7-52 單株樹 ST2 下游 6D 順風向平均風速結果(實

驗值) ··· 95

(18)

圖 7-53 單株樹 ST2 下游 6D 順風向平均風速結果(數

值結果) ··· 95

圖 7-54 單株樹 ST2 下游 8D 順風向平均風速結果(實

驗值) ··· 96

圖 7-55 單株樹 ST2 下游 8D 順風向平均風速結果(數

值結果) ··· 96

(19)

符號表

符 號 表

a : 單 位 體 積 之 葉 面 面 積 A : 探 針 校 正 係 數 b : 樹 木 橫 寬 B : 探 針 校 正 係 數 C : 單 位 體 積 內 的 迎 風 葉 面 積 C’ : 垂 直 風 向 的 葉 面 積 與 總 葉 面 積 的 比 值 C1 : 探 針 校 正 係 數 CD : 阻 力 係 數 D : 特 徵 長 度(模型寬度) E : 彈 性 模 數 E1 : 探 針 膜 片 感 應 電 壓 E2 : 探 針 膜 片 感 應 電 壓 f : 作 用 於 流 體 之 外 力 項(Source Term) H : 樹 木 高 度 LAI : 葉 面 積 指 數 Iu : 順 風 向 紊 流 強 度 Iv : 橫 風 向 紊 流 強 度 Lu : 風 速 擾 動 平 均 渦 漩 長 度 P : 壓 力 Re : 雷 諾 數 rh 包 含 葉 面 積 參 數 之 整 體 阻 力 係 數 Ru : 擾 動 風 速 的 自 相 關 函 數 Ru1u2 : 擾 動 風 速 u1、u2之 交 相 關 函 數 SP : 透 風 係 數 Sx(ω) : 能 譜 密 度 函 數 t : 時 間

(20)

TS : 樹 冠 結 構 係 數 u : x 方向風速 u’ : 擾 動 風 速 u平 均 風 速 U : x 方向無因次風速 comp

U

合 成 速 度 U0 : 自 由 流 或 邊 界 層 層 緣 風 速 U* : 摩 擦 速 度 U(z) : 於 空 間 高 度 z 處之風速 U(δ) : 大 氣 邊 界 層 厚 度 δ 處 之 平 均 風 速 UVW : 合 成 平 均 風 速 ' 'v u順 橫 向 雷 諾 剪 應 力 ' 'w u順 垂 向 雷 諾 剪 應 力 v : y 方向風速 V : y 方向無因次速度向量 W : z 方向無因次速度向量 x : 順 風 向 位 置 y : 橫 風 向 位 置 z : 縱 向 位 置 z0 : 粗 糙 長 度(roughness length) α : 冪 次 率 係 數 β : 探 針 迴 歸 公 式 King’s law 冪次 δ : 邊 界 層 厚 度 o  : 模 型 區 域 之 固 體 與 整 體 體 積 比 f 模 型 區 域 之 空 氣 與 整 體 體 積 比  : 來 風 與 探 針 裂 面 之 夾 角 0  : 裂 膜 探 針 校 正 曲 線 平 移 角 度

(21)

符號表 T  : 探 針 溫 度 與 環 境 溫 度 差 y  : 橫 向 空 間 變 位 z  : 縱 向 空 間 變 位  : 單 位 體 積 0  : 模 型 區 域 之 固 體 所 佔 體 積 f  : 模 型 區 域 之 空 氣 所 佔 體 積 T  : 模 型 整 體 體 積

(22)
(23)

ABSTRACT

摘 要

關 鍵 詞 : 環 境 微 氣 候 、 風 洞 實 驗 、 數 值 模 擬 , 樹 木 植 栽 一 、 研 究 緣 起 都 市 栽 種 之 景 觀 樹 及 行 道 樹 對 於 建 築 周 圍 風 場 微 氣 候 有 顯 著 影 響 , 在 實 務 上 除 可 降 低 建 築 物 所 承 受 風 壓 及 風 力 , 並 對 行 人 環 境 風 場 扮 演 正 面 之 角 色 , 但 也 缺 少 適 當 模 式 予 以 分 析 評 估 。 本 研 究 擬 以 風 洞 實 驗 與 數 值 模 擬 同 步 探 討 此 類 現 象 , 研 究 通 過 樹 木 的 風 場 特 性 和 紊 流 結 構 , 並 建 立 風 場 通 透 樹 木 之 特 性 模 式 。 藉 此 克 服 風 場 分 析 與 數 值 模 擬 時 遭 遇 此 類 不 穩 定 因 素 之 影 響,並 提 供 較 佳 之 分 析 模 式。 依 據 本 研 究 之 99 年 初 步 成 果,包 含 已 建 立 之 二 維 樹 林 數 值 模 式、 矩 形 樹 冠 模 型 風 洞 試 驗 程 序 與 數 據 分 析 方 法 以 及 三 維 模 式 初 建 , 本 年 度 擬 於 風 洞 實 驗 中 深 入 探 討 樹 冠 厚 度 、 疏 密 度 以 及 外 型 等 特 性 影 響 , 並 建 構 實 體 單 株 樹 模 型 試 驗 , 最 後 於 探 討 建 築 周 圍 之 植 栽 對 於 行 人 環 境 風 場 之 影 響 , 藉 以 增 進 數 值 模 式 之 應 用 性 與 精 度 。 由 以 往 的 研 究 可 以 發 現,有 關 植 栽 風 場 研 究 多 針 對 樹 木 群 (森 林 ) 進 行 量 測 分 析 , 因 單 株 樹 風 場 具 有 非 均 一 及 非 等 向 性 , 難 以 系 統 化 分 析 探 討 。 本 研 究 希 望 藉 由 風 洞 實 驗 探 討 風 場 通 過 單 株 樹 木 後 之 風 速 剖 面 變 化,實 驗 中 採 用 2 維 裂 膜 探 針 量 測 模 型 樹 林 中 的 紊 流 流 速, 系 統 化 建 單 棵 及 多 棵 排 列 之 樹 木 群 風 場 模 式 。 由 風 洞 試 驗 所 建 立 之 特 性 模 式 引 入 數 值 模 擬 中 , 與 風 洞 試 驗 結 果 交 互 驗 證 確 立 其 精 確 度 , 使 其 成 為 有 效 評 估 都 市 微 氣 候 風 場 之 工 具 。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本 研 究 採 用 風 洞 實 驗 與 數 值 模 擬 並 行,風 洞 實 驗 採 用 2 維 熱 膜 探 針 量 測 模 型 樹 林 中 的 紊 流 流 速 , 並 計 算 相 關 參 數 , 建 立 風 場 通 過 樹 木 之 特 性 模 式 。 流 場 之 模 擬 係 採 用 微 可 壓 縮 流

(24)

(Weakly-Compressible-Flow Method, WCF)的 動 力 計 算 方 法 , 並 將 樹 木 模 式 引 入 數 值 模 擬 中 , 使 其 成 為 有 效 評 估 都 市 微 氣 候 風 場 之 工 具 。 應 用 樹 木 通 透 模 式 於 建 築 物 耐 風 設 計 , 進 一 步 比 對 評 估 結 果 與 風 洞 實 驗 量 測 值 , 並 探 討 其 適 用 性 。 引 入 樹 木 通 透 模 式 於 數 值 模 擬 ( CFD) 條 件 中 , 交 叉 比 對 數 值 與 實 驗 結 果 , 討 論 該 模 式 之 可 行 性 。 三 、 重 要 發 現 本 研 究 為 建 立 風 場 通 透 樹 木 特 性 模 式,前 期 研 究 以 二 維 維 數 值 模 擬 加 上 樹 林 模 式,驗 證 風 場 通 透 樹 林 之 特 性。另 設 計 矩 形、三 角 形 樹 冠 模 型 以 及 2 種 形 式 之 單 株 樹 模 型 風 洞 試 驗 , 量 測 樹 木 下 游 風 場 資 料 。 同 時 進 行 三 維 數 值 模 擬 , 率 定 合 成 參 數r , 並 對 風 洞 試 驗 結 果 相h 互 比 對 驗 證 , 整 合 上 述 成 果 以 及 研 究 過 程 可 得 到 以 下 結 論 : (1) 使 用 森 林 模 式 之 二 維 數 值 模 擬 結 果 與 前 人 現 地 試 驗 驗 證 後 , 有 不 錯 的 吻 合 度 , 後 續 以 此 為 基 礎 發 展 適 切 風 場 通 透 樹 木 模 式 。 (2) 樹 冠 模 型 以 及 單 株 樹 風 洞 試 驗 之 順 風 向 平 均 風 速 、 紊 流 強 度 等 實 驗 量 測 結 果 , 在 空 間 分 布 上 呈 現 不 錯 的 對 稱 性 , 對 於 後 續 研 究 分 析 上 提 供 完 備 之 資 料 庫 。 (3) 本 研 究 利 用 矩 形 樹 冠 模 型 實 驗 結 果 率 定 合 成 參 數r 值 , 預 測 之 平h 均 風 速 誤 差 低 於 5%。 (4) 矩 形 樹 冠 模 型 率 定 所 得 之r 值 分 別 應 用 至 三 角 形 樹 冠 以 及 單 株 樹h 之 數 值 模 擬 , 模 擬 結 果 顯 示 與 實 驗 值 頗 為 吻 合 , 未 來 可 進 一 步 擴 展 應 用 至 相 關 之 建 築 微 氣 候 分 析 。 四 、 主 要 建 議 事 項

(25)

ABSTRACT 進 行 都 市 景 觀 規 劃 常 見 之 樹 種 分 析 : 立 即 可 行 建 議 主 辦 機 關 : 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機 關 : 無 由 於 本 模 式 之 合 成 參 數r 乃 基 於 樹 冠 孔 隙 率 進 行 率 定,而 現 有 樹h 種 資 料 多 以 葉 面 積 指 數、葉 面 積 密 度 等 資 料 進 行 建 檔。因 此,後 續 可 蒐 集 實 際 都 市 規 劃 常 用 景 觀 樹 木 或 防 風 林 之 樹 冠 結 構 資 料,與 孔 隙 率 進 行 對 應 分 析 , 可 增 進 本 模 式 之 應 用 性 。 建 議 二 樹 木 模 式 於 建 築 微 氣 候 之 應 用 與 驗 證 : 中 長 期 建 議 主 辦 機 關 : 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機 關 : 無 未 來 可 規 劃 設 計 相 關 風 洞 實 驗 或 採 現 場 量 測 方 式,針 對 建 築 周 圍 樹 木 對 於 行 人 環 境 風 場 之 影 響 進 行 探 討 , 分 析 合 成 參 數r 之 可 靠 度 ,h 據 以 增 進 評 估 建 築 微 氣 候 之 分 析 量 化 能 力,並 有 效 應 用 本 方 法 至 相 關 風 工 程 問 題 分 析 上 。 建 議 三 樹 木 模 式 之 應 用 推 廣 : 中 長 期 建 議 主 辦 機 關 : 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機 關 : 無 應 用 本 模 式 至 相 關 著 名 之 CFD 計 算 軟 體 (如 FLUENT、 STAR-CD、 PHOENIX 等 )進 行 能 力 比 對 , 加 強 本 模 式 之 使 用 率 及 應 用 能 力 。

(26)
(27)

ABSTRACT

A B S T R A C T

Keywords:microclimate, wind tunnel experiment, numerical simulation, tree canopy

The shade trees in the city affect the microclimate around the buildings. They not only decrease the wind pressure and wind load on structure, but also play the positive roles in pedestrian enviroment. The phenomenon of wind cross single tree is investigated by wind tunnel experiment and numerical simulation in this study. We plant to build a method can describe the wind characteristic and turbulence behind the tree. Carry out a better analysis method which can overcome the uncertainty of these problems in numerical simulation.

In this study, based on preliminary results of 99 years, including the established two-dimensional numerical model trees, rectangular canopy model wind tunnel test procedures and data analysis methods, and three-dimensional model was first built, the current year to be in the wind tunnel experiments to explore in depth the crown thickness, coarseness, and outside type and other characteristics of the impact of physical plant and to construct a tree model test, the last in the construction of the pedestrian environment around the planting for the impact of wind farms in order to enhance the application of numerical models and accuracy.

Wind tunnel experiments and numerical simulations are both adopted in this study. We used the 2D split-film probe to measurements turbulent flow behind tree canopy, and analysis

(28)

the relevant parameters to establish the characteristics. Otherwise, Weakly-Compressible-Flow (WCF) Method is chosn to simulate full field, and conduct the tree canopy model into numerical simulation. We wish it can become an effective assessment tool to predict urban micro-climate wind. Transparent mode in the application of tree wind-resistant design of buildings, further than the wind tunnel experiments to assess the results and the measured values and to explore its applicability. The conduction of trees in transparent mode, numerical simulation conditions, comparison of numerical and experimental results to discuss the feasibility of the model.

(29)

第一章 緒 論

第一章 緒 論

第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景

壹 、 研 究 緣 起 植 栽 在 都 市 規 劃 中 所 扮 演 的 角 色 大 多 在 於 點 輟 都 市、塑 造 良 好 的 視 覺 景 觀、增 加 綠 覆 綠 面 積、減 緩 都 市 熱 島 效 應 等。由 於 植 栽 具 有 擋 風 或 導 風 的 效 果,植 栽 在 適 當 的 配 置 與 應 用 原 則 下,不 但 可 以 減 弱 風 速 減 少 不 良 風 場 的 發 生 機 率,其 穿 透 性 亦 可 讓 部 分 空 氣 穿 透,進 而 調 節 都 市 微 氣 候。且 都 市 行 人 活 動 多 集 中 於 地 表 上 1~2 公尺,屬微氣候 (Microclimate)之範圍,故植栽在控制都市微氣候中將扮演重要的角色 之 一 , 然 而 植 栽 應 用 於 調 整 都 市 風 環 境 之 相 關 文 獻 是 屬 罕 見 。 無 數 的 單 株 樹 個 體 構 成 陸 地 上 多 種 結 構 的 森 林 因 子,依 據 株 密 度 及 排 列 方 式 的 不 同,可 分 為 幾 種 不 同 結 構 的 林 分,對 於 風 場 的 考 量 方 式 亦 有 所 不 同。株 密 度 較 大 的 林 分 構 成 了 均 勻 的 森 林,一 般 將 森 林 冠 層 視 為 下 墊 面 整 體 考 慮 其 阻 力 係 數 。 多 個 單 株 樹 有 規 律 的 排 列 成 行 , 就 構 成 了 防 護 林 帶,上 述 2 種林分以林分整體考慮結構特性,不已單 株 樹 為 單 元 進 行 分 析。但 林 分 很 稀 疏 時,對 於 氣 流 而 言 並 非 以 冠 層 或 林 帶 的 方 式 作 用,此 類 情 況 常 見 於 都 市 綠 化、公 園 植 栽 以 及 防 護 林 等 等 。 本 研 究 的 旨 在 於 探 討 氣 流 流 經 單 株 樹 的 流 場 特 性,尤 其 是 單 棵 至 於 單 排 多 棵 樹 木 引 致 地 表 粗 糙 度 改 變 所 形 成 的 內 邊 界 層(Internal boundary layer), 進 而 造 成 下 游 流 場 變 化 。 近 年 來 有 關 於 樹 林 植 被 層 風 場 的 研 究 , 指 出 由 地 面 至 2~ 3 倍 樹 木 高 度 的 範 圍 屬 於 植 被 層

(Canopy Sublayer) , 植 被 次 層 之 上 的 流 況 則 屬 於 近 地 層 (Surface Sublayer)。以往的研究認為植被層的流況為兩種不同流場所組成,其

(30)

一 為 樹 木 之 上 的 邊 界 層 流(Boundary layer flow)影響的流場,另一為樹 林 之 中 的 尾 流(Wake flow)流場。但 Raupach et al. (1996)認為植被層中 的 流 場 應 屬 於 混 合 層 流(Mixing layer flow),並非邊界層流。其所提出 的 混 合 層 流 模 式 可 以 解 釋 在 森 林 植 被 層 中 所 觀 測 到 的 紊 流 特 性,譬 如 紊 流 強 度 、 雷 諾 剪 應 力 等 。 由 以 往 的 研 究 可 以 發 現,有 關 植 栽 風 場 研 究 多 針 對 樹 木 群 (森 林 ) 進 行 量 測 分 析 , 因 單 一 樹 木 風 場 具 有 非 均 一 及 非 等 向 性 , 難 以 系 統 化 分 析 探 討 。 本 研 究 希 望 藉 由 風 洞 實 驗 量 測 單 棵 樹 木 之 風 場 特 性 , 實 驗 中 採 用 2 維 裂 膜 探 針 量 測 模 型 樹 林 中 的 紊 流 流 速 , 並 計 算 相 關 參 數 。 盼 能 建 立 風 場 通 過 樹 木 之 特 性 模 式 , 並 將 相 關 模 式 引 入 數 值 模 擬 中 , 使 其 成 為 有 效 評 估 都 市 微 氣 候 風 場 之 工 具 。 貳 、 研 究 目 的 本 研 究 之 目 標 有 如 下 四 項 : (1) 建立風洞實驗室非恆定風場量測實驗分析技術。 (2) 探討樹木透風風阻係數對下游風場之影響,並尋求其關聯性。 (3) 建構風場通透樹木之特性模式。 (4) 建立數值分析風場通透樹木之風場模擬能力。

第 二 節 研 究 方 法 與 流 程

壹 、 研 究 方 法 本 研 究 之 工 作 包 括 風 洞 模 型 試 驗 、 模 式 建 立 及 數 值 模 擬 等 3 階 段 , 茲 將 各 階 段 內 容 分 述 如 後 :

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第一章 緒 論 本 研 究 先 將 樹 體 做 縮 尺 模 型 進 行 風 洞 試 驗,並 先 將 形 狀 複 雜 之 樹 冠 模 型 簡 化 為 矩 形 , 針 對 矩 形 針 葉 樹 體 後 方 二 維 流 場 特 性 隨 其 厚 度 與 疏 密 度 變 化 做 為 分 析 重 點 。 待 實 驗 數 據 與 數 值 結 果 率 定 完 成 後 , 再 加 入 形 狀 變 化 因 子 , 以 幾 何 形 狀 類 似 真 實 樹 木 之 三 角 形 針 葉 樹 模 型 進 行 風 洞 試 驗 , 觀 測 其 各 層 厚 度 變 化 與 率 定 結 果 在 數 值 模 擬 上 之 適 用 性 。 最 後 以 單 株 針 葉 樹 之 縮 尺 模 型 進 行 風 洞 試 驗 , 並 量 測 其 後 方 流 場 三 維 剖 面 。 矩 形 樹 冠 實 驗 針 對 3 種 疏 密 度 以 及 5 種 厚 度 之 模 型,而 三 角 形 樹 冠 則 採 用 2 種 高 度 比,以 中 心 線 速 度 剖 面 量 測 為 主,沿 著 順 風 向 (x) 量 取 風 速 剖 面 , 包 含 順 風 向 (u)及 垂 直 向 (w)風 速 隨 時 間 之 變 化 。 垂 直 向 座 標 (z)以 樹 叢 中 心 點 為 起 始 點 (z/D=0),量 取 z=±90 cm (±3.2D) 處 的 風 速 資 料 共 27 點 , 在 可 能 發 生 剪 力 層 位 置 採 用 較 密 之 點 位 分 布 , 於 遠 離 樹 叢 區 域 則 採 用 較 疏 之 點 位 分 布 進 行 量 測 。 單 株 針 葉 樹 之 模 型 試 驗 則 量 測 4D 及 6D 之 y-z 平 面 之 速 度 分 布,包 含 順 風 向 (u)、 橫 風 向 (v)以 及 垂 直 向 (w)風 速 隨 時 間 之 變 化 。 非 恆 定 之 風 速 量 測 使 用 裂 膜 探 針 擷 取 順 風 向 (u)及 垂 直 向 (w)風 速 之 時 序 列 資 料 , 取 樣 時 間 為 1 分 鐘,取 樣 頻 率 為 1 kHz,無 因 次 化 之 參 考 風 速 (U0)則 選 用 z=90 cm 處 平 均 風 速 。 (2) 數值模式建立 擬 利 用 風 洞 試 驗 結 果,結 合 前 人 研 究 所 發 展 之 公 式,反 向 率 定 出 與 孔 隙 率、厚 度 等 控 制 變 因 相 關 之 阻 力 係 數 公 式。本 研 流 場 之 模 擬 係 採 用 微 可 壓 縮 流(Weakly-Compressible-Flow Method,WCF)的 動 力 計 算 方 法,配 合 次 網 格 紊 流 模 型 解 析 非 恆 定 流 場 結 果。在 解 析 樹 木 區 域 之 流 場 時,於 動 量 方 程 式 等 號 右 邊 加 入 源 項(Source Term),即風場作 用 於 樹 木 區 控 制 體 積(Control Volume)之阻力係數,以模擬流體通過後 之 風 場 特 性 。 (3) 研究步驟

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a . 風 洞 模 型 試 驗 ○1 試 驗 設 施 規 劃 與 設 計 。 ○2 模 型 與 試 驗 模 型 製 作 。 b . 模 式 建 立 ○1 試 驗 數 據 分 析 。 ○2 樹 冠 通 透 模 式 建 立 。 ○3 數 值 模 式 引 入 分 析 並 與 風 洞 試 驗 比 對 修 正 。 c . 數 值 模 擬 ○1 數 值 模 式 發 展 。 ○2 模 式 測 試 。 ○3 數 值 計 算 結 果 比 對 與 驗 證 。 ○4 資 料 整 合 分 析 。 貳 、 研 究 流 程 本 研 究 利 用 風 洞 實 驗 結 果 分 析,將 建 立 樹 木 風 場 通 透 模 式 引 入 數 值 計 算 中 , 逐 步 建 立 方 場 通 透 樹 木 模 式 , 並 以 風 洞 試 驗 結 果 交 互 驗 證。於 此 將 研 究 流 程 分 為 3 個階段,計有 4 個工作項目,工作流程如 圖 1-1所 示 , 各 工 作 項 目 內 容 茲 分 述 如 後 : (1) 資料 蒐 集:蒐集 國 內外 有 關 風場 中 森 林、樹 林 及樹 木 等 研 究 文 獻 , 包 含 實 場 量 測 、 風 洞 試 驗 及 數 值 模 擬 等 資 料 。 (2) 模 式 初 建 : 針 對 簡 化 外 形 及 均 勻 樹 葉 分 布 之 樹 木 進 行 風 洞 試 驗 , 將 樹 木 視 為 均 勻 分 布 之 孔 隙 介 質 , 藉 由 風 洞 試 驗 量 測 , 建 立 流 場 通 透 模 式 , 並 比 對 探 討 數 值 模 式 之 下 游 流 場 變 化 。 (3) 增 加 模 式 個 案 : 針 對 不 同 造 型 、 樹 種 之 單 株 樹 進 行 風 洞 試 驗 及 數 值 模 擬 , 建 立 風 場 通 透 單 株 樹 之 模 式 , 並 尋 求 其 關 聯 性 。

(33)

第一章 緒 論 位 置 的 風 速 剖 面 進 行 量 測 , 探 討 樹 冠 對 下 游 風 場 之 影 響 , 並 對 數 值 模 式 結 果 予 以 驗 證 。 (5) 單 株 樹 對 建 築 鄰 近 風 場 之 影 響 : 設 計 典 型 之 建 築 環 境 風 場 個 案 , 探 討 植 栽 排 列 對 風 場 之 影 響 , 並 進 一 步 研 究 樹 木 對 建 築 表 面 風 壓 之 遮 蔽 效 果 。

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(35)
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第二章 理論背景

第 一 節 大 氣 邊 界 層

地 球 表 面 空 氣 的 流 動,由 於 地 球 自 轉、地 表 之 粗 糙 度(諸 如 林 木 、 建 築 物) 及 熱 力 的 因 素 等 等 , 形 成 一 平 均 風 速 隨 高 度 變 化 的 分 布 剖 面 , 而 風 速 不 再 隨 高 度 改 變 的 位 置 , 約 於 距 地 表 150-500 公尺左右, 此 範 圍 稱 之 為 大 氣 邊 界 層,這 高 度 正 涵 蓋 一 般 建 築 物 的 極 限。根 據 大 氣 邊 界 層 的 特 徵 , 下 列 幾 點 是 風 洞 實 驗 的 模 擬 要 項 : 平 均 風 速 剖 面 、 紊 流 強 度 、 紊 流 積 分 長 度 尺 度 。 壹 、 平 均 風 速 剖 面 平 均 風 速 會 隨 高 度 而 變 化,一 般 在 大 而 均 勻 的 地 況,有 兩 種 經 驗 公 式 來 描 述 不 同 高 度 上 的 平 均 風 速 分 布 : (1) 指數率(Power Law) ( ) ( ) ( )z U z U      (2-1) ) (z U 為 某 高 度 z 的風速,U()表 大 氣 邊 界 層 高 度 δ 之 平 均 風 速 , α 值 決 定 於 地 表 粗 糙 度 及 大 氣 穩 定 度。本 法 適 用 於 較 高 風 速 及 高 度 在 邊 界 層 厚 度 0.1 倍以上之狀況,於邊界層上半部準確性較高。藉由不 同 的 指 數 值 表 示 各 種 地 況 所 造 成 之 流 場 風 速 剖 面,依 據 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 , 其 關 係 可 參 考 下 表 :

(37)

第二章 理論背景

2-1 地況參數表

地 況 參 數 A B C α 0.32 0.25 0.15 δ (m) 500 400 300 資 料 來 源 : 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 (2) 對數率(logarithmic law): * 0 1 ( ) ln( )z U z U K z  (2-2)

k(Von Karman’s constant) 約 為 0.4 ; z0 是 代 表 粗 糙 長 度 尺 度

(roughness length),U*是 摩 擦 風 速(friction velocity)。

一 般 而 言 , 對 數 率 較 指 數 率 更 適 合 使 用 於 接 近 地 表 約 0.1 倍邊界 層 厚 度 以 下 的 範 圍 , 其 乃 藉 由 z0、U*之 改 變 表 示 各 種 流 況 。 目 前 的 高 層 建 築 皆 有 上 百 公 尺 之 高 度 , 所 受 風 力 90-95%來 自 於 結 構 上 半 部 , 故 以 指 數 律 之 風 速 剖 面 較 能 準 確 表 示 此 領 域 的 風 速 狀 況 。 貳 、 紊 流 強 度 接 近 地 表 的 氣 流 是 屬 於 紊 流 , 風 速 由 平 均 速 度 與 紊 流 強 度 所 組 成。其 瞬 時 的 速 度 向 量 可 以 分 解 成 縱 向、側 向 及 垂 直 三 方 向。其 中 縱 向 速 度 擾 動 對 結 構 之 影 響 遠 較 其 他 方 向 重 要,對 紊 流 的 研 究 多 以 此 方 向 為 主。而 紊 流 強 度 是 描 述 紊 流 最 簡 單 有 效 的 方 法,藉 以 做 為 紊 流 擾 動 大 小 之 指 標 。 其 定 義 如 下 : 2 1 2 ( '( ) ) ( ) ( ) u u z I z U z  (2-3)

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( ) u I z 指 高 度 z 處 縱 向 U 的 紊 流 強 度 ;U(z)為 該 高 度 的 平 均 風 速 ; 2 / 1 2) ) ( (u  z 是 擾 動 風 速 的 均 方 根 值 。 參 、 紊 流 積 分 長 度 尺 度 紊 流 是 由 各 種 不 同 大 小 不 一 的 渦 漩(eddy)所 組 成 , 紊 流 長 度 尺 度

(Length scales of turbulence)便是用以計算這些渦漩大小的統計值。因

紊 流 計 有 三 個 擾 動 方 向 , 每 風 向 方 分 解 到 縱 向(x)橫 向 (y)及 垂 直 向 (z) 上 , 故 有 九 個 長 度 尺 度 。 以 縱 向 風 速 擾 動 在 縱 向 的 平 均 渦 漩 大 小 為 例 , 可 定 義 為 :

 

  0 2 12 1 dx x R u Lx uu u (2-4) 其 中 Ru1u2(x)是 縱 向 風 速 擾 動u1u(x1,y1,z1,t)及u2u(x1x,y1,z1,t)二 者 之 交 相 關 函 數 。 若 用 均 勻 紊 流 場 的 泰 勒(Taylor)假 設 , 令 紊 流 的 渦 漩 皆 以 平 均 風

速(U(t))移動,則 u(x1,τ+t)可改寫為 u(x1-x/U,τ)即:

 

  0 2 R t dt u U Lx u u (2-5) 其 中 Ru是 縱 向 風 速 擾 動 u(x1,t)的 自 相 關 函 數 。 肆 、 雷 諾 剪 應 力 雷 諾 剪 應 力(Reynolds stress)代 表 因 紊 流 所 造 成 的 動 量 傳 輸 通 量 (momentum flux):



     N i i i w w u u N w u 1 1 ' ' (2-6) 如 圖 2-1所示,速度梯度 dU/dz > 0,可以假想一塊原本位於 z1 的流

(39)

第二章 理論背景 度 U1 會小於該處其他流體的速度 U2,亦即會造成 z2 處流速的變化, 縱 向 擾 動 速 度 u’<0。換言之,向上流動的渦流,垂向擾動速度 w’> 0, 會 產 生 的 縱 向 擾 動 速 度 u’<0。同理:向下流動的渦流,w’<0,會產生 u’>0 , 因 此 在 經 過 許 多 渦 流 的 傳 輸 之 下 , 時 間 平 均 的 紊 流 通 量 u’w’<0,動量傳輸的方向是由上往下傳遞。換言之,渦流會促使動量 由 高 動 量 的 自 由 流 往 低 動 量 的 邊 界 處 傳 遞。反 之,若 速 度 梯 度 dU/dz < 0,則紊流通量 u’w’>0 ,動量仍由高動量處往低動量的方向傳輸,但 傳 輸 的 方 向 是 由 下 往 上 傳 遞。同 樣 地,uiuj為 i 方向的動量往 j 方向的 傳 輸 量 。

2-1 動量傳輸示意圖

資 料 來 源 : 朱 佳 仁 [34]

第 二 節 樹 木 結 構 與 風 場 之 影 響

植 栽 對 於 風 場 作 用 的 影 響 有 遮 蔽 、 過 濾 、 導 引 及 偏 向 等 效 果(如 圖 2-2);至於其影響程度則視植物之種類及栽植方式而異。無論濃密 或 稀 疏 的 樹 木,對 氣 流 都 會 產 生 阻 力,減 低 風 速,然 而,過 於 濃 密的 樹 林 反 而 因 貫 穿 氣 流 過 少,會 在 背 風 面 形 成 低 壓 區,吸 引 上 部 自 由 流 下 降,擋 風 效 果 反 而 變 差。植 栽 可 改 變 地 形 上 或 建 築 物 周 圍 的 氣 流 分

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布 狀 況,在 基 地 空 間 允 許 的 情 形 下,善 用 不 同 種 類、高 度、寬 度 的 樹 木 或 灌 木 叢 以 不 同 的 方 式 組 合,植 栽 是 可 以 兼 顧 風 場 改 善、景 觀、通 風 散 熱 、 防 止 土 壤 風 蝕 以 及 改 進 空 氣 品 質 的 良 好 方 案 之 一 。

壹 、 葉 面 積 指 數

對 於 群 樹 而 言,不 同 樹 種 之 葉 面 形 狀 及 葉 片 分 布 不 盡 相 同,一 般 多 以 葉 面 積 指 數(Leaf Area Index,簡稱 LAI)來區分不同樹木特性,其 LAI 定義為每單位土地面積上植物葉片之投影面積,可用以表達植物 葉 量 之 多 寡 , 為 重 要 之 植 被 特 徵 之 ㄧ 。 LAI 量測方法以直接法雖然最準確,但卻非常耗時費力而且屬破 壞 性 取 樣,故 無 法 在 森 林 中 廣 泛 執 行。間 接 法 之 取 樣 方 法 眾 多,包 含 林 分 結 構 法、凋 落 物 推 估 法、樹 冠 透 光 法、瞬 間 拍 攝 法 等。茲 但 如 採 樣 之 樹 林 範 圍 過 大,則 考 慮 時 間 及 經 濟 效 益,多 需 仰 賴 空 中 載 具 配 合 特 殊 雷 射 設 備 等 進 行 量 測 。 , 貳 、 葉 面 積 密 度

在 樹 體 施 予 流 體 之 阻 力 中 , 葉 面 積 密 度(leaf area density, 簡 稱

LAD)為 其 重 要 因 子 之 ㄧ , 其 定 義 為 該 單 位 體 積 中 葉 片 總 面 積 所 佔 之

比 例 。 當 葉 面 與 來 風 之 摩 擦 力 增 加 時 會 導 致 風 速 下 降 , 故 LAD 值為

影 響 阻 擋 來 風 效 益 之 重 點 。

研 究 中 LAD 值之取得通常將樹體分層進行量測,然而因其量測

方 法 多 須 配 合 特 殊 儀 器 與 斷 層 掃 描 等 技 術,故 許 多 研 究 皆 使 用 前 人 所

量 測 之 LAD 值分布,如 Green(1992)所提出之 LAD 隨樹體高度之變

化 分 布 如 下 :

2-2 樹木之 LAD 值隨高度分布

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第二章 理論背景

第 三 節 樹 木 風 場 阻 力

目 前 有 關 地 表 植 栽 之 受 風 研 究 , 多 針 對 樹 木 群(樹 林 、 森 林)進 行 探 討。當 風 吹 過 樹 林 時,風 場 會 受 到 樹 林 所 施 予 的 阻 力,其 阻 力 可 由 力 平 衡 法 以 及 動 量 平 衡 法 兩 個 方 法 求 得。而 單 株 樹 的 阻 力 與 樹 體 的 結 構 、 壹 、 力 平 衡 法 在 穩 態 流 的 狀 況 下 ,x 方向的力平衡:

 . .s c x x V V A F  (2-6) dA V V dA V V F A P A P A A D

  1 2 1 1 2 2 2 2 1 1   (2-7) 式 中

P

1

P

2分 別 為 斷 面 1 及 2 之 壓 力,A1A2分 別 為 斷 面 1 及 2 之 斷 面 積 ,V1V2分 別 為 斷 面 1 及 2 之 流 速 。 在 風 洞 中 對 一 個 與 風 洞 相 同 寬 度 的 樹 林 模 型 進 行 測 試 , 如 圖 2.1, 若 上 、 下 游 壓 差 十 分 小 , 則 可 忽 略 上 、 下 游 壓 差 之 影 響 , x 方 向 的 動 量 方 程 式 變 為 : dA V V dA V V F A A D

2 2 

1 1 (2-8) 其 中,ρ 為 空 氣 密 度( 常 溫 下 ρ= 1.22 kg /m3),代 入 上、下 游 流 速 分 布 即 可 得 到 樹 林 模 型 所 受 的 風 阻 力 。 A U F C D D0.5 2 (2-9)

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貳 、 動 量 平 衡 法 另 以 動 量 方 程 式 推 求 二 維 樹 林 模 型 所 受 的 風 阻 力 , 其 順 風 向 (Along Wind)的 動 量 方 程 式 為 : z u w y u v x u u t u            D f u z w u y v u x u u x p              1 ' ' ' ' ' ' 2  (2-10) 其 中,ρ 為 空 氣 密 度,ν 為 空 氣 運 動 黏 滯 係 數, fD為 樹 林 施 予 單 位 質 量 氣 流 的 阻 力 : z y x F fD D      (2-11) 其 中,(xyz)為 控 制 體 積(Control volume)的體積,並提出以下假 設 : (1) 穩態流場,平均流速不隨時間而變, 0   t 。 (2) 橫風向(across wind)平均流速v0, 垂 直 向 平 均 流 速w0。 (3) 橫風向流場為均勻(uniform), 0   y 。 (4) 空氣運動黏滯係數(ν)所造成的動量傳輸遠小於紊流傳輸,可予以 忽 略 , 0。 (5) 壓力梯度為零, 0   x p 。 (6) 順風向流場為等速流, 0   x

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第二章 理論背景 0 ' '    fD z w u (2-12) 若 以 阻 力 係 數 表 示 為 : ) ( ) ( ) ( 2 1 ' ' 2 z U z A z C z w u D     (2-13)

其 中,A(z)為植物在高度 z 處的投影面積(Frontal Area of Plant),CD(z)

為 高 度 z 處的阻力係數。 z w u z U z A z CD     ' ' ) ( ) ( 2 ) ( 2 (2-14) 上 式 指 出 樹 木 之 中 的 阻 力 係 數 會 隨 著 高 度 改 變,由 Brunet (1993) 的 研 究 中 得 知 風 洞 模 擬 時 阻 力 係 數 的 範 圍 為CD= 1.3 ~ 2.2,Raupach and Thom (1981)的研究則為CD= 1 ~ 4。阻力係數的範圍會受到模擬植 物 的 類 型 所 影 響,當 高 度 下 降 時,阻 力 係 數 也 會 隨 之 增 加,其 原 因 為 樹 木 葉 面 所 產 生 的 摩 擦 力 增 加 導 致 風 速 的 下 降;但 在 接 近 地 面 之 處 由 於 葉 子 已 經 減 少 , 故 此 處 阻 力 係 數 也 十 分 小 。 參 、 單 株 樹 之 理 論 模 式 假 設 一 圓 柱 體 單 株 樹 之 樹 冠(冠幅為 R),簡化為等效之正方形柱 體(邊長為 D),則 05 0.5 R . D  , 樹 高 H 不變。取順風向為 x 軸,氣流 穿 過 樹 體 後 逐 漸 減 弱, 在 樹 體 內 某 點 風 速 為 u,通過順風向變位dx後 風 速 下 降du, 故 其 風 速 衰 減 公 式 可 寫 為 : kudx du  (2-15) 其 中 k 為樹體之風速衰減係數,與樹冠緊密程度有關。再 2 邊分別對 速 度 u 及距離 x 積分得:

u 

U x dx k u du 0 0 → kx U u   0 ln

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kx e U u   0 (2-16) 因 此,在 背 風 面 緊 鄰 樹 冠 後 緣 的 風 速 為 kD e U0   (D 為樹冠厚度), 故 該 樹 冠 之 透 風 係 數 為 : kD P e U u S    0 (2-17) 於 樹 冠 區 域 內 取 單 位 體 積ddxdydz,並 假 設 單 位 體 積 內 枝 葉 迎 風 面 積 為 C,則d內 枝 葉 迎 風 面 積 為Cd,故 單 位 體 積 之 阻 力 係 數 可 寫 為:   C u d dFD 2 2 1 (2-18) 將 (2-16)帶 入 上 式 , 並 對 空 間 積 分 得 :

kD

H D kD H D D kx D e DH U C k dydz e k U C dxdydz e U C F 2 2 0 0 0 2 2 0 0 0 0 2 0 1 4 1 1 2 1 2 1 2 1              

 

  

   (2-19) 其 中 2kD P2 S e  , 故 可 將 阻 力 進 一 步 寫 為 :

2

2 0 1 4 1 P D C U DH S k F    (2-20) 至 此 由 (2-20)可 以 得 知 單 株 樹 的 阻 力 與 下 列 因 素 有 關 : (1) 來流風速U 以 及 空 氣 密 度 ; 0 (2) 樹體尺度,冠幅 D 與樹冠高度 H; (3) 樹體枝葉的緊密程度和分布特性(結構特性),呈現於公式中的 3 個

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第二章 理論背景 C 是單位體積內的迎風葉面積,與單位體積內的葉面積 LAI 成正 比 , 根 據 前 人 研 究 結 果(Guan 等[11]),D×LAI 與SP有 密 切 關 係(如圖 2-3),因此 D×LAI 為 Ln SP的 線 性 函 數 : P aLnS LAI D  (2-21) 其 中 , a 為 經 驗 常 數 , 再 將 (2-21)式 改 寫 為 :

alnS

/ D ' C LAI ' C C  P (2-22) 式 中C'為 比 例 係 數,即 單 位 體 積 內 垂 直 風 向 的 葉 面 積 與 總 葉 面 積 的 比 值 , 與 樹 種 有 關 , 令C'aA則 :

AlnS

/D C   P (2-23) A 是 與 樹 種 有 關 的 經 驗 常 數 , 將 上 式 帶 回 (2-20)式 可 得 :

1 2

4 1 P D A DH S F    (2-24) 而 阻 力 係 數 可 由 阻 力 無 因 次 化 求 得 :

2

2 0 2 1 2 1 1 P D D A S U DH F C     (2-25) 由 此 可 知 , 單 株 樹 的 阻 力 係 數 與 樹 體 結 構 係 數 A 以 及1SP2成 正 比 。

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2-2 樹木對風場環境的影響

資 料 來 源 : 賴 光 邦 [31]

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第三章 文獻回顧

第 一 節 相 關 文 獻

無 數 的 單 株 樹 個 體 構 成 了 陸 地 上 多 種 結 構 之 森 林,依 據 林 分 之 疏 密 度 以 及 排 列 方 式 不 同,可 以 分 成 森 林、林 帶 以 及 單 株 樹。現 今 有 關 通 過 樹 木 植 栽 的 風 場 研 究 頗 多,但 多 針 對 森 林 或 林 帶 進 行 探 討。由 於 森 林 或 林 帶 分 布 特 性 可 將 三 維 的 流 場 問 題 轉 化 為 二 維 甚 至 一 維 的 問 題,大 幅 降 低 流 場 分 析 時 的 困 難 度。森 林 中 的 紊 流 運 動 受 到 較 大 的 渦 流 所 影 響,關 於 前 人 的 研 究 中,有 許 多 學 者 對 植 被 的 研 究 提 供 許 多 統 計 與 測 量 方 法 ,Raupach [22]在 風 洞 中 模 擬 森 林 流 場 以 進 行 研 究 以 及 Gardiner [8]對於森林中流場作風場的量測等。森林上方的流場為混合 層 流,在 混 合 層 流 中 可 以 發 現 速 度 剖 面 會 發 生 突 變 之 處,並 且 可 知 其 特 性 是 受 到 整 體 樹 林 的 高 度 所 影 響,故 可 推 測 樹 林 之 上 的 流 場 會 引 起 大 尺 度 的 渦 流,使 樹 頂 之 上 的 邊 界 層 往 上 增 加,混 合 層 流 的 分 析 提 供 一 個 方 法,可 把 三 維 的 流 場 問 題 轉 化 為 一 維 的 問 題,而 前 人 的 量 測 值 也 顯 示 出 森 林 紊 流 隨 著 時 間 變 動 的 特 性,但 對 於 空 間 變 動 所 造 成 流 場 變 動 還 不 完 善 。 壹 、 風 洞 實 驗 有 關 森 林 中 流 場 特 性 的 研 究,其 研 究 方 式 大 多 以 現 場 量 測 的 方 式 來 探 討 大 氣 與 森 林 之 間 的 傳 輸。雖 然 現 場 量 測 是 瞭 解 實 際 流 況 最 直 接 的 方 式,但 現 場 量 測 卻 十 分 地 耗 費 人 力、經 費 和 時 間。並 且 會 影 響 現 場 流 況 的 外 在 因 素 太 多 、 太 複 雜 , 使 得 現 場 流 況 具 有 很 大 的 變 異 性 , 往 往 不 易 由 量 測 結 果 深 入 瞭 解 流 場 現 象 背 後 的 機 制。在 研 究 森 林 流 場 課 題 上,許 多 研 究 者 將 其 量 測 之 風 速 剖 面,利 用 森 林 的 特 性 參 數 加 以

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第三章 文獻回顧 (1) Cionco 等[2]建議森林中風速剖面:              exp 1 ) ( H h u h u H  (3-1)

其 中 , α 為 植 被 流 場 指 數(canopy index),uH 為 樹 冠 層(crown layer)

處 的 平 均 風 速 。

(2) Dumbauld 等[5]由現場量測(field measurement)推導出森林中的風 速 剖 面 :

   

 

h H H u u H u h u   / 1 0          (3-2)

h h 0 Jdz  (3-3)

H H 0 Jdz  (3-4) 其 中 ,u 為 接 近 地 表 的 風 速 , H 為 樹 高 , J 為 葉 面 面 積 ,0h為 至 h 位 置 之 總 葉 面 積 ,H為 森 林 之 總 葉 面 積 。 (3) Mihailovic 等 [15]提 出 森 林 中 的 風 速 剖 面 非 對 數 剖 面 , 研 究 中 推 導 出 森 林 中 的 風 速 剖 面 共 分 三 個 部 分 ,H 為樹木高度而 zd則 是 樹 木 底 部 沒 有 葉 面 的 高 度 。

(50)

 

 

 

 

                                                         d H d d d H d z h Cu h u H h z H z H z h u h u H h z z h u h u h u 0 ; ; 1 cosh cosh ; ln 1 1 3 2 / 7 1 0 * 1      (3-5) 其 中 , σ 為 植 被 遮 蔽 函 數, 其 值 介 於 0 到 1 之間;C 為常數,與森林 結 構 有 關 ; 而 α 、 β 分 別 定 義 為 :

1/2 2 4 LAI CD   (3-6) 2 2 4     CDLAI (3-7) 其 中,CD為 阻 力 係 數,LAI 為葉面積指數,α和κ為與樹木特性有關 之 常 數 。 (4) Raupach 等[21]在一個長 10.6 公尺,寬 1.78 公尺,高 0.65 公尺的 風 洞 中 , 模 擬 森 林 流 場 中 的 速 度 剖 面 與 溫 度 的 分 佈 , 其 模 型 植 被 段 放 置 於 距 離 風 洞 入 口 處 4.7 公尺處,植被段長度為 3 公尺。使用 菱 形 排 列 高 6 公分、長 1 公分,寬 0.1 公分的條狀物,量測模型的

垂 向 和 縱 向 動 量 通 量 與 紊 流 能 量 收 支(turbulent energy budget),結

果 得 到 對 於 森 林 流 場 紊 流 傳 輸 項 為 主 要 的 能 量 消 散 來 源 , 但 對 於

剪 應 力 收 支(shear stress budget)尾流的效應可予以忽略,並推導出

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第三章 文獻回顧

 

 

 

                        H h H z H h z d h H u u H u h u ; 1 exp ; ln 0 0 *   (3-8)

(5) Massman 等[14]針對葉面積指數(LAI)作分析,試驗得到植被中 LAI 與 風 速 剖 面 、 地 表 剪 應 力 、 粗 糙 長 度 和 零 風 面 位 移 的 關 係 , 研 究 發 現 當 同 一 高 度 的 樹 木 LAI 愈大,風速愈小,則零風面位移愈大, 粗 糙 長 度 愈 小 。 (6) Novak 等[18]研究改變單一面積所擁有的樹木數量時,此改變會造 成 森 林 中 風 場 和 紊 流 的 變 化 , 和 現 地 量 測 的 資 料 作 比 較 , 並 且 有 系 統 的 改 變 樹 木 的 密 度 和 葉 面 面 積 的 散 佈 , 隨 著 樹 木 密 度 的 增 加 樹 木 的 整 體 效 應 也 相 對 的 增 加 , 此 研 究 也 指 出 樹 木 中 紊 流 流 場 , 由 長 尺 度 的 渦 流 控 制 , 並 且 於 森 林 中 樹 木 間 隔 的 改 變 也 是 很 重 要 的 因 素 。 (7) Boldes 等[1]研究單層植物或雙層植物其後方的紊流流場,其討的 參 數 有 單 層 和 雙 層 植 物 孔 隙 率 的 不 同 、 植 物 後 方 的 風 速 剖 面 、 紊 流 強 度 、 偏 度 係 數 、 峰 度 係 數 和 風 場 頻 譜 分 析 。 本 研 究 提 出 防 風 物 會 產 生 遮 蔽 效 應 使 得 在 後 方 尾 流 區 產 生 混 合 層 , 在 植 物 遮 檔 後 方 的 區 域 受 到 大 尺 度 渦 流 所 擾 亂 並 會 產 生 穿 透 流(bleed flow),風 會 間 歇 性 的 穿 透 遮 蔽 物 , 在 後 方 風 場 渦 流 大 小 主 要 受 到 遮 蔽 物 的 寬 度 和 密 度 的 影 響 , 且 當 植 物 密 度 些 微 的 改 變 時 , 紊 流 將 劇 烈 的 改 變 。

(8) Flesch and Wilson[29]利用風洞實驗評估樹木受風特性,發現樹 木 擺 動 與 下 游 風 場 特 性 成 比 例 , 並 探 討 樹 林 對 下 游 提 供 之 保 護 區 域 大 小 及 減 風 效 果 。

(9) 方 德 偉 [33]利 用 風 洞 實 驗 驗 證 出 透 過 樹 林 之 風 速 剖 面 可 由 迴 歸 公 式 表 示 之 。 並 於 風 洞 實 驗 時 , 放 置 模 型 樹 於 紊 流 邊 界 層 之 中 , 改

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變 樹 木 的 疏 密 度 和 排 列 方 式 , 在 不 同 的 下 風 距 離 量 測 平 均 風 速 和 紊 流 參 數 , 並 在 相 鄰 的 兩 點 同 時 量 測 紊 流 流 速 , 以 瞭 解 紊 流 流 場 的 相 關 性 。

貳 、 數 值 模 擬

(1) Wilson and Flesch[29]採 用 二 維 數 值 模 式 探 討 通 過 森 林 之 速 度 剖

面 變 化 , 在 與 Raynor[24]所 量 得 之 現 場 實 驗 結 果 比 對 後 得 到 不 錯 的 吻 合 度 , 並 進 一 步 設 計 多 排 森 林 組 合 模 擬 試 驗 , 探 討 其 紊 流 流 場 效 應 。 (2) Sládek 等 [27]利 用 數 值 方 法 探 討 二 維 及 三 維 大 氣 邊 界 層 通 過 含 樹 林 之 複 雜 地 況,並 於 動 量 方 程 式 中 加 入 源 項(Source term)以模擬非 均 勻(Non-Homogeneous) 之 樹 林 群 。 而 在 無 樹 林 位 置 附 以 低 矮 植 栽 , 再 以 表 面 糙 度 參 數 模 擬 之 。 研 究 中 於 樹 林 區 加 入 之 源 項 為 不 同 高 度 之 阻 力 係 數,其 分 布 特 性 如 圖 3-1所示,另以 公 式 表 示 之 : 1 75 . 0 ; 75 . 0 1 / 1 ) ( 75 . 0 ; 75 . 0 / ) ( 0 0        h z h z a C a C h z h z a C a C D D D D (3-9) 其 中 ,CDa為 整 體 阻 力 係 數 , 隨 著 樹 高 而 改 變 。 本 方 法 在 評 估 複 雜 地 況 中 樹 群 對 風 場 之 影 響 , 獲 得 不 錯 之 吻 合 度 。 (3) Yamaguchi 等 [30]利 用 移 動 式 風 塔 量 測 單 棵 松 樹 下 游 5 個 位 置 (x/H=1、2、3、4、5;H 為樹高,如圖 3-2)之平均風速以及紊流動 能 , 並 以 界 定 阻 力 係 數 與 疏 密 度 之 關 係 , 並 引 入 數 值 模 式 後 對 實 驗 結 果 予 以 驗 證 , 得 到 不 錯 的 吻 合 度(如圖 3-3)。 (4) Mochida[17]等 採 用 數 值 模 擬 林 帶 之 鄰 近之 行 人 環 境 風 場 , 研 究 中

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第三章 文獻回顧 參 、 單 株 樹 研 究 近 年 來 , 有 部 分 研 究 者 開 始 著 手 於 單 株 樹 的 阻 力 係 數 率 定 研 究 , 茲 列 舉 如 後 : (1) Guan 等[11]於風洞實驗中利用簡單鐘擺方法,依據動量平衡定理 量 測 單 株 樹 模 型 的 阻 力 , 結 果 顯 示 單 株 樹 的 阻 力 係 數 遞 增 則 透 風 性 或 孔 隙 率 遞 減 , 其 關 係 式 呈 現 二 次 曲 線 。 (2) 關德新等[31]利用伯努力方程式和氣流穿過單株樹時之衰減率,推 導 出 單 株 樹 之 阻 力 係 數 模 式 。 在 忽 略 邊 界 層 的 效 應 下 , 阻 力 係 數 為 透 風 係 數 、 樹 冠 結 構 係 數T 之 函 數 : S

1 2

2 1 P S D T S C   (3-10) (3) 何 育 賢 [36]利 用 實 場 量 測 與 數 值 模 擬 綜 合 解 析 樹 木 在 樹 冠 結 構 與 配 置 變 化 時 對 風 環 境 的 影 響 , 藉 以 獲 得 最 佳 化 之 植 栽 選 用 及 配 置 原 則 , 而 模 擬 之 單 株 樹 模 式 則 是 採 用 林 帶 試 驗 所 得 之 阻 力 係 數 分 析 方 式 , 增 加 模 擬 結 果 之 不 確 定 度 。

第 二 節 小 結

由 以 往 的 研 究 可 以 發 現,有 關 植 栽 風 場 研 究 多 針 對 樹 木 群 進 行 量 測 分 析,因 單 一 樹 木 風 場 具 有 非 均 一 及 非 等 向 性,難 以 系 統 化 分 析 探 討。本 研 究 希 望 藉 由 風 洞 實 驗 量 測 單 棵 樹 木 之 風 場 特 性,以 循 序 漸 進 的 方 式,由 簡 化 之 方 形 樹 葉 部 模 型 開 始,設 定 3 種不同疏密度之樹叢 模 型,利 用 風 洞 實 驗 並 採 用 2 維裂膜探針量測樹木模型下游的紊流流 速,並 計 算 相 關 參 數。盼 能 建 立 風 場 通 過 樹 木 之 特 性 模 式,並 將 相 關 模 式 引 入 數 值 模 擬 中 , 使 其 成 為 有 效 評 估 都 市 微 氣 候 風 場 之 工 具 。

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3-1 典型樹木阻力係數分布圖(Sládek 等[27])

資 料 來 源 :Sládek 等[27]

3-2 現場量測示意圖(Yamaguchi 等[30])

資 料 來 源 : Yamaguchi 等[30]

3-3 結果比較圖(Yamaguchi 等[30])

資 料 來 源 : Yamaguchi 等[30]

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第四章 研究方法

本 研 究 為 建 立 單 一 樹 木 下 游 風 場 特 性 與 應 用 模 式,採 用 風 洞 試 驗 與 數 值 模 擬 2 種方法並行。其中,風洞試驗於內政部建築研究所風洞 實 驗 室 進 行,試 驗 資 料 除 提 供 分 析 數 值 樹 木 模 式 之 源 項,並 量 測 樹 木 下 游 風 速 剖 面 探 討 樹 木 減 風 效 果。而 數 值 模 擬 則 採 微 可 壓 縮 流 配 合 大 渦 模 擬 之 紊 流 模 型,引 入 風 洞 樹 驗 求 得 之 模 式 係 數,數 值 模 擬 與 風 洞 試 驗 結 果 相 互 比 對 以 增 進 模 式 精 度 。

第 一 節 實 驗 與 量 測 設 備

建 研 所 風 洞 實 驗 室 本 體 為 一 垂 直 向 的 封 閉 迴 路 系 統(如圖 4-2),總 長 度 為 77.9m,最大寬度為 9.12m,最大高度為 15.9m。具有第一與第 二 兩 個 測 試 區 , 其 斷 面 分 別 為 4 m × 2.6 m 與 6 m × 2.6 m。風扇型 式 為 直 接 傳 動 軸 流 式 風 扇 , 直 徑 4.75m , 驅 動 馬 達 的 最 大 馬 力 為 500kW,最高轉速為 390rpm。正常運轉風速範圍為 2 m/s 至 35 m/s, 最 高 風 速 為 39 m/s。第一測試段測試區空風洞紊流強度 0.17%至 2%。 另 顧 慮 到 未 來 如 進 行 污 染 擴 散 試 驗 或 煙 霧 視 流 試 驗 可 能 對 風 洞 本 體 及 工 作 氣 體 造 成 污 染 , 原 封 閉 迴 路 風 洞 可 切 換 為 開 放 式 風 洞 。 壹 、 風 速 量 測 本 實 驗 風 速 剖 面 量 測 係 以 裂 膜 探 針(Spilt Film)配 合 恆 溫 流 速 儀

(Constant Temperature Anemometer; DANTEC 9090N10101)進行量測 (如圖 4-4)。而參考風速則採用直式皮托管(如圖 4-5)配合薄膜式壓力

計(VALIDYNE Differential Pressure Transducer;DP103)量測,所使用

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第四章 研究方法 在 風 速 剖 面 的 風 場 量 測 上 , 來 流 風 速 剖 面 量 測 採 用 Dantec 公司 生 產 之 熱 線(hot-wire)測速儀進行。所謂熱線測速儀是利用電流通過金 屬 導 線 時 會 使 導 線 溫 度 升 高,而 當 流 體 流 經 金 屬 表 面 時 會 帶 走 部 分 熱 量 之 原 理 來 量 測 流 體 之 速 度。當 探 針(probe)所在位置之電阻 R 值因溫 度 之 改 變 而 改 變 時,使 得 電 橋 失 去 平 衡。本 實 驗 室 所 有 之 恆 溫 式 流 速 儀,利 用 補 償 電 路(compensating circuit),因應流速之變動,對流經探 測 元 之 電 流 做 瞬 間 之 改 變 來 維 持 探 測 元 之 操 作 溫 度 固 定 不 變(因 而 探 測 元 之 電 阻 亦 不 變), 使 電 橋 保 持 平 衡 狀 態 。 如 此 即 可 經 由 回 饋 電 壓 的 變 化 來 得 知 所 要 量 測 流 場 中 流 速 之 變 化,有 關 熱 線 測 速 儀 量 測 原 理 如 圖 4-3所示。實驗中,將測速儀裝設於可垂直與橫向移動的移動機 構 , 測 針 擺 設 位 置 均 以 電 腦 控 制 。 本 次 試 驗 採 用 之 裂 膜 探 針(55R55)如圖 4-4所示,有別於常用之 X 型 式 之 探 針,其 v 方向與 u 方向速度可量測夾角可達±90°(X 型式最大 可 量 測 夾 角 為 ±45°), 惟 須 較 為 繁 複 之 校 正 過 程 以 及 高 階 項 次 係 數 率 定 。 (2) 參考風速 本 實 驗 採 用 皮 托 管 進 行 參 考 風 速 量 測,皮 托 管 所 量 測 到 的 壓 力 差 值 傳 遞 至 壓 力 轉 換 器,利 用 伯 努 利 方 程 式(Bernoulli equation),即依據 4-1 式計算出相應之風速。 air p U    2 (4-1) 研 究 中 採 用 的 壓 力 轉 換 器 為 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器(very-low pressure transducer,VALIDYNE DP103-18,參見圖 4-6),具有堅固之金屬外 殼 , 其 內 部 包 有 一 壓 電 膜 片 。 當 受 到 外 部 壓 力 時 會 導 致 金 屬 薄 片 變 形,致 使 產 生 電 壓 變 化,再 經 由 訊 號 放 大 器 讀 出 電 壓 值。壓 力 轉 換 器 若 與 皮 托 管(pitot tube)連接,經率定後可用以量測流場平均速度。 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器 率 定 應 配 合 壓 力 轉 換 器 內 部 的 壓 電 膜 片 的 受

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壓 範 圍,依 照 其 膜 片 可 承 受 範 圍,利 用 壓 力 校 正 器(DPI 610)連接兩條 短 油 管 傳 輸 壓 力 給 薄 膜 式 轉 換 器 之 動 壓 與 靜 壓。壓 力 由 小 至 大,直 到 可 承 受 之 最 大 壓 力,透 過 資 料 擷 取 系 統(取樣頻率為 250Hz,取樣時間 為 10 秒)將所測之電壓值轉換存檔後,其迴歸率定曲線呈線性型態。 貳 、 裂 膜 探 針 校 正 方 法 由 於 裂 膜 探 針 主 要 是2 片白金製成之金屬薄膜附貼於 1 圓柱之兩 側 , 而 2 膜間有一間隙,故稱之為裂膜(split-fiber)。前後 2 裂隙所成 之 平 面 稱 之 為 裂 面(如圖 4-7)。進行量測時,當風向與裂面平行並與膜 片 垂 直,則 2 膜片所感應的電壓(E1E2)將一致。若風向與熱膜正交, 但 與 裂 面 有 一 夾 角 θ , 則 2 膜片所感應的電壓平方差( 2 2 2 1 E E  )將隨夾 角 增 大 而 變 大 。 首 先 針 對 風 速 進 行 校 正 , 按 金 氏 定 理(King’s Law), 電 壓 平 方 和 ( 2 2 2 1 E E  )與風速成冪次關係,其公式如後:  n BU A T E E     2 2 2 1 (4-2) 其 中, T 為探針膜片溫度與環境溫度差;A、B 為風速回歸係數;β 為 冪 次,當 試 驗 風 速 低 於 50 m/s 時,β採用 0.5。本實驗風速校正結 果 如 圖 4-8所示,校正風速由 1 到 20 m/s 共 20 組,所得校正係數 A =0.16,Ca=0.13,相關性為 0.99。 在 角 度 校 正 部 分,由 電 壓 平 方 和 與 來 風 夾 角 關 係 圖(圖 4-9)可以得 知,來 風 夾 角 變 化 對 於 電 壓 平 方 和 並 無 明 顯 影 響,電 壓 平 方 和 誤 差 最 大 低 於 5%。但由於角度平方差與溫度比值結果與角度相關,在來風 夾 角 介 於 ±30°時 , 其 公 式 為 :   Ca T E E   2 2 2 1 (4-3)

(59)

第四章 研究方法 n a C CU C12 (4-4) 將 校 正 所 得 資 料 依 公 式(4-3)以θ為橫軸,角度平方差為縱軸作圖 (圖 4-10),理論上應通過座標原點。但由於探針膜片外型並非完全對 稱 , 而 2 組膜片在零夾角的電壓值也不相等,因而產生偏移的狀況。 故 將 公 式(4-3)修正如後:

0

2 2 2 1 2 2 2 1 0                   a C T E E T E E (4-5) 前 述 角 度 係 數 Ca 與 風 速 呈 現 性 關 係 , 而 由 圖 4-11可以得知,以 7.5 m/s 為界,有 2 組角度係數與風速線性關係。在此要特別注意的 是,當 風 攻 角 超 過 ±30°時,角度係數 C 與風速即非線性關係,需要使 用 更 高 階 次 的 風 速 校 正 方 程 式 來 修 正 。 參 、 資 料 擷 取 系 統 實 驗 所 量 得 之 類 比 訊 號 係 經 由 NI CompacDAQ-9172 擷取後作類 比 數 位(analog-digital)轉換(圖 4-12)。本系統最高可連結 8 個模組,配 合 4 個 NI 9215 模組,最高可串接 32 個頻道。本模組最高採樣頻率為 100 kHz,具有 16-bit 之解析度,精確度(accuracy)高達 0.02%。數位 化 的 訊 號 以 大 於 3.2 MS/s 的速度經由 USB 界面傳至電腦,進行資料 儲 存 與 統 計 運 算 。 為 配 合 上 述 資 料 擷 取 系 統,另 採 用 LabView8.2 軟體(圖 4-13),除 用 圖 示 方 式 取 代 文 字 程 式 的 撰 寫 , 且 利 用 資 料 流(data flow)的 觀 念 來 呈 現 程 式 執 行 的 程 序。對 於 基 本 的 儀 表 控 制、量 測、訊 號 處 理、影 像 分 析 與 馬 達 控 制 等 都 能 提 供 完 整 的 處 理 。 其 資 料 即 時 處 理 分 析 功 能 , 可 模 擬 真 正 的 儀 器(如 數 位 電 表 、 示 波 器 等 ), 一 般 被 稱 為 虛 擬 儀 表

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4-1 內政部建築研究所風洞實驗室外觀

資 料 來 源 : 本 研 究 拍 攝

4-2 風洞實驗室配置圖

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第四章 研究方法

4-3 熱線測速儀量測原理示意圖

資 料 來 源 : Dantec Corp.

4-4 裂膜探針(55R55)

資 料 來 源 : 本 文 整 理

4-5 皮托管

4-6 薄膜式壓力計

資 料 來 源 : 本 文 整 理

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4-7 裂膜探針示意圖

資 料 來 源 : 本 文 整 理 U0.5 (m/s) (E 2 +E1 2 )/2 T 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

4-8 流速校正迴歸曲線(總反應電壓對風速之函數)

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第四章 研究方法  (E1 2 +E 2 2 )/ T -90 -60 -30 0 30 60 90 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 U=2.5 m/s U=5 m/s U=10 m/s U=15 m/s U=20 m/s

4-9 總反應電壓差對風攻角之關係圖

資 料 來 源 : 本 文 整 理 -o (E1 2 -E 2 2 )/ T-[(E 1 2 -E 2 2 )/ T] o -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 U=2.5 m/s U=5 m/s U=10 m/s U=15 m/s U=20 m/s

4-10 反應電壓差對風攻角關係圖

資 料 來 源 : 本 文 整 理

(64)

U m/s C vol t 2 / o C/ de gr ee 0 5 10 15 20 25 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

4-11 角度係數變化圖

資 料 來 源 : 本 文 整 理

4-12 資料擷取系統

4-13 LabView 介面

資 料 來 源 : 本 文 整 理

數據

圖 1-1 研究規劃流程圖
圖 3-1 典型樹木阻力係數分布圖(Sládek 等[27])  資 料 來 源 : Sládek 等[27]  圖 3-2 現場量測示意圖(Yamaguchi 等[30])  資 料 來 源 : Yamaguchi 等 [30]  圖 3-3 結果比較圖(Yamaguchi 等[30])  資 料 來 源 : Yamaguchi 等 [30]
圖 4-2 風洞實驗室配置圖  資 料 來 源 : 本 文 整 理
圖 4-7 裂膜探針示意圖  資 料 來 源 : 本 文 整 理  U 0.5 (m/s)(E21+E22)/T012 3 4 500.20.40.60.81 圖 4-8 流速校正迴歸曲線(總反應電壓對風速之函數)
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參考文獻

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