鄰棟建築頂部風場及渦流溢放特性之研究
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(2) 鄰棟建築頂部風場 及渦流溢放特性之研究. 研究主持人：李主任秘書玉生 共同主持人：苗教授君易. 內政部建築研究所協同研究報告 中華民國 96 年 12 月.
(3) 符號說明 D：模型特徵長度（方柱寬度） Ho:目標模型高度 Hr:參考模型高度 Uo:目標模型頂部之平均參考風速 f:渦流溢放的頻率 ρ:空氣密度 ν:運動黏滯係數 Fd: 主流向的阻力 FL:橫風向受風力 S：參考模型與目標模型的距離 Re:雷諾數(Reynolds numbers) St:史特數(strouhal numbers) δ：邊界層厚度 CD：主流向的阻力係數 CL: 橫風向受風力係數 Cp:壓力係數.
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(5) 目次. 目次. 目次························································································· I 表次······················································································III 圖次······················································································ IV 摘. 要·················································································XII. ABSTRACT ·······································································XV 第一章 緒. 論 ······································································ 1. 第一節 研究緣起與背景 ·················································1 第二章 文獻回顧 ·································································· 5 第一節 相關研究 ·····························································5 第二節 耐風設計規範 ·····················································7 第三章 研究方法 ································································ 10 第一節 實驗方法 ···························································10 第二節 量測分析項目 ···················································18 第三節 數值方法 ···························································19 第四章 結果與討論 ···························································· 20 第一節 第二節 第三節 第四節. 油流實驗 ···························································20 穩態數值模擬結果 ···········································26 目標柱體表面壓力分佈結果 ···························32 風力係數實驗結果 ···········································49. I.
(6) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 第五節 目標柱體下游渦流溢放量測 ···························69 第五章 結論與建議 ···························································· 73 第一節 結論 ···································································73 第二節 建議 ···································································74 參考書目·············································································· 76.
(7) 表次. 表次 表 2-1 地況相關參數 ························· 8 表 3-1 實驗用流場條件 ······················ 18 表 4-1 單柱模型之 Cd ······················· 50 表 4-2 單柱之升力係數 ······················ 57 表 4-3 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=2D/2D) ······· 58 表 4-4 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=4D/2D) ······· 58 表 4-5 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=6D/2D) ······· 58 表 4-6 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=2D/4D) ······· 59 表 4-7 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=4D/4D) ······· 59 表 4-8 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=6D/4D) ······· 59 表 4-9 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=2D/6D) ······· 60 表 4-10 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=4D/6D) ······ 60 表 4-11 雙柱實驗升力係數(Hr/Ho=6D/6D) ······ 60. III.
(8) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 圖次 圖 3-1 鄰棟建築物模型實驗架設圖 ············ 11 圖 3-2 電子式壓力掃瞄器 ···················· 12 圖 3-3 熱線探針 ···························· 13 圖 3-4 熱線測速儀 ·························· 13 圖 3-5 皮托管 ······························ 14 圖 3-6 薄膜式壓力計 ························ 15 圖 3-7 資料擷取系統 ························ 16 圖 3-8 研究個案示意圖 ······················ 17 圖 4-1 油流實驗架設圖 ······················ 21 圖 4-2 縱列模型地表下游油流結果(Hr/Ho=4/6) · 22 圖 4-3 縱列目標柱表油流結果(Hr/Ho=4/6) ····· 22 圖 4-4 縱列目標柱地表油流結果(Hr/Ho=2/6) ··· 23 圖 4-5 縱列目標柱表面油流結果(Hr/Ho=2/6) ··· 23 圖 4-6 縱列目標柱地表油流結果(Hr/Ho=6/6) ··· 24 圖 4-7 縱列目標柱表面油流結果(Hr/Ho=4/6) ··· 24 圖 4-8 橫列目標柱地表油流結果(Hr/Ho=2/6) ··· 25 圖 4-9 橫列目標柱表面油流結果(Hr/Ho=2/6) ··· 25 圖 4-10 縱列在近地面 Z~0D 截面數值結果(Hr/Ho=2/6). IV.
(9) 圖次. ·········································· 26 圖 4-11 縱列在中心剖面數值結果(Hr/Ho=2/6) ·· 27 圖 4-12 縱列在高度 6D 截面結果(Hr/Ho=2/6) ··· 27 圖 4-13 縱列高 2 在 Z~0D 截面數值結果(Hr/Ho=6/2) ·········································· 28 圖 4-14 縱列在中心截面數值結果(Hr/Ho=6/2) ·· 28 圖 4-15 縱列在高度 2D 截面數值結果(Hr/Ho=6/2) 29 圖 4-16 縱列高度比 6D/6D 在近地面 Z~0D 數值結果30 圖 4-17 縱列高度比 6D/6D 在中心截面數值結果 · 30 圖 4-18 縱列高度比 6D/6D 在高度 6D 數值結果 ·· 31 圖 4-19 模型頂部壓力孔排列位置圖 ··········· 32 圖 4-20 Ho=2D 頂部壓力實驗結果 ············· 33 圖 4-21 Ho=6D 頂部壓力實驗結果 ············· 33 圖 4-22 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=0.5D) ·········································· 34 圖 4-23 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=1D) ·········································· 34 圖 4-24 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=2D) ·········································· 34. V.
(10) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 圖 4-25 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/2D，S=0.5 D) ·········································· 35 圖 4-26 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/2D，S=1D) ·········································· 35 圖 4-27 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/2D，S=2D) ·········································· 36 圖 4-28 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=0.5D) ·········································· 36 圖 4-29 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=1D) ·········································· 37 圖 4-30 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=2D) ·········································· 37 圖 4-31 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/4D，S=0.5D) ·········································· 38 圖 4-32 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/4D，S=1D) ·········································· 38 圖 4-33 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/4D，S=2D) ·········································· 38 圖 4-34 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/4D，S=0.5D). VI.
(11) 圖次. ·········································· 39 圖 4-35 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/4D，S=1D) ·········································· 39 圖 4-36 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/4D，S=2D) ·········································· 40 圖 4-37 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/4D，S=0.5D) ·········································· 40 圖 4-38 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/4D，S=1D) ·········································· 41 圖 4-39 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/4D，S=2D) ·········································· 41 圖 4-40 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/6D，S=0.5D) ·········································· 42 圖 4-41 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/6D，S=1D) ·········································· 42 圖 4-42 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/6D，S=2D) ·········································· 42 圖 4-43 迎風面平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D， S=0.5D) ··································· 43. VII.
(12) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 圖 4-44 迎風面平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=1D) ·········································· 44 圖 4-45 迎風面平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=2D) ·········································· 44 圖 4-46 迎風面平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D， S=0.5D) ··································· 45 圖 4-47 迎風面平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=1D) ·········································· 45 圖 4-48 迎風面平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=2D) ·········································· 45 圖 4-49 都市地況迎風面壓力係數 (Hr/Ho=2D/2D， S=0.5D) ··································· 46 圖 4-50 都市地況迎風面壓力係數結果 (Hr/Ho=2D/2D，S=1D) ······················· 46 圖 4-51 都市地況迎風面壓力係數結果 (Hr/Ho=2D/2D，S=2D) ······················· 47 圖 4-52 都市地況迎風面壓力係數 (Hr/Ho=6D/2D， S=0.5D) ··································· 47 圖 4-53 都市地況迎風面壓力係數結果. VIII.
(13) 圖次. (Hr/Ho=6D/2D，S=1D) ······················· 48 圖 4-54 都市地況迎風面壓力係數結果 (Hr/Ho=6D/2D，S=2D) ······················· 48 圖 4-55 六力平衡儀實驗架設示意圖及座標定義 · 49 圖 4-56 平均阻力係數結果(Hr/Ho=2D/2D) ······ 50 圖 4-57 平均阻力係數結果(Hr/Ho=4D/2D) ······ 51 圖 4-58 平均阻力係數結果 Hr/Ho=6D/2D ········ 51 圖 4-59 平均阻力係數結果 Hr/Ho=2D/4D ········ 52 圖 4-60 平均阻力係數結果(Hr/Ho=4D/4D) ······ 52 圖 4-60a 平均阻力係數結果(Hr/Ho=6D/4D) ····· 53 圖 4-61 平均阻力係數結果(Hr/Ho=2D/6D) ······ 53 圖 4-62 平均阻力係數結果(Hr/Ho=4D/6D) ······ 54 圖 4-63 平均阻力係數結果(Hr/Ho=6D/6D) ······ 54 圖 4-64 Ho=2D 模型之頻譜圖 ················· 55 圖 4-65 Ho=4D 模型之頻譜圖 ················· 55 圖 4-66 Ho=6D 模型之頻譜圖 ················· 55 圖 4-67 Ho=2D 目標模型雙柱實驗之 St 與 Re 結果 56 圖 4-68 Ho=4D 目標模型雙柱實驗之 St 與 Re 結果 56 圖 4-70 Ho=6D 目標模型雙柱實驗之 St 與 Re 結果 57. IX.
(14) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 圖 4-71 平均阻力係數結果(Hr/Ho=2D/6D) ······ 61 圖 4-72 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/6D). 61. 圖 4-73 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=4D/6D). 62. 圖 4-74 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=4D/6D). 63. 圖 4-75 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/4D). 64. 圖 4-76 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/4D). 64. 圖 4-77 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=6D/4D). 65. 圖 4-78 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=6D/4D). 65. 圖 4-79 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/2D). 66. 圖 4-80 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=2D/2D). 67. 圖 4-81 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=6D/2D). 68. 圖 4-82 橫風向平均風力係數結果(Hr/Ho=6D/2D). 68. 圖 4-83 熱線架設相關位置示意及俯視圖 ······· 69 圖 4-84 不同高度頻譜圖(Hr/Ho=2D/2D,S=0.5D) · 70 圖 4-85 不同高度頻譜圖(Hr/Ho=2D/2D,S=2D) ··· 70 圖 4-86 不同高度頻譜圖(Hr/Ho=6D/2D,S=0.5D) · 71 圖 4-87 不同高度頻譜圖(Hr/Ho=6D/2D,S=2D) ··· 71. X.
(15) 摘. 要. XI.
(16) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 摘. 要. 關鍵詞：頂部流場、風洞實驗、表面風壓、目標模型受力 一、研究緣起 近年來政府鼓勵開發利用多種替代能源，而經濟部於民國九十一 年六月發佈了促進產業升級條例細則，條例內容亦鼓勵裝設風力發電 或太陽能發電等設備，以長遠來看風力發電可能會漸漸被推廣至一般 民眾。單一建築物於風域中之流場變化，常為研究建築物風荷重之基 本情況，前人研究亦多著眼於此。然就實際情況而言，都會建築皆為 毗臨而立而非單一存在，甚至於集合式住宅之設計亦常出現此情形。 因此，相鄰建築物間於風場中之交互作用，便為本研究之主要課題。. 二、研究方法 本研究之工作包括風洞模型試驗與數值模擬計算兩個部份，茲分 述如後： (1)風 洞模 型試驗 1.來流 風 況 除均勻來流外，本研究擬於針對代表大型都會中心地形的大氣邊 界 層 形 式 之 來 流 風 場 中 進 行 實 驗 量 測 ， 目標 邊 界 層 平 均 風 速 剖 面 以 指 數 律 表 示 之 指 數 約 為 0.32(地 況 A)， 邊 界 層 厚 度 約 為 1.5 米。 2. 建 物模 型 建築模型為三維方柱以壓克力板粘合製作，方柱的寬度為 150mm， 以 模 型 寬 度 為 特 徵 長 度 D， 製 作 不 同 高 度 的 模 型 ， 高 度 分 別 為 300mm、600mm 及 900mm 三 種 方 柱 模 型，高 寬 比 分 別 為 2、4 及 6， 相 應 之 阻 塞 比 低 於 4%。 3.模型 排 列 及 間 距 比. XII.
(17) 圖次. 模型排列方式有縱向與橫向排列兩種，兩個模型之間距比分別為 0.5D、1D 及 2D(對 應 距 離 為 75mm、150mm 及 300mm)，並 探 討實驗 結 果 差異。 (2)數 值模 擬 數值模 擬 是採用 商 用軟 體 FLUENT 進行 相關計 算 ，紊流 模 型為 Kε模型，將不同高寬比及不同排列方式進行數值模擬，網格為結構性 網 格 ， 有 90 萬格 點 數 ， 採 用 局 部 加 密 方 式 進 行 計 算 。 三、重要發現 在縱向排列與橫向排列方式，配合上不同間隙比，在不同雷諾數 條件下，對目標模型頂部風壓分佈、下游渦流溢放情形及受力情況進 行瞭解。由目前結果可以發現參考建築物與目標建築物高度差距是會 影響目標建築物頂部壓力分佈情況，當前方模型高度高於後方模型高 度時，對後方模型頂部有有較明顯的負壓區產生，在縱向排列上，在 都市型地況下，迎風面壓力分佈結果可以發現，中間區域都是較為低 壓的區域。由不同高度的渦流亦放實驗結果上可以發現，前方模型高 度較高時有較強的渦流溢放訊號，後續應規劃更多雙棟建築物之排列 組合狀況，以確立邊界層流中雙棟建築物之風力特性，而且縱向排列 方式對目標模型影響較大。 四、主要建議事項 由目前結果可以發現參考建築物與目標建築物高度差距是會影響 目 標 建 築 物 頂 部 壓 力 分 佈 情 況 ， 後 續 應 規劃 更 多 雙 棟 建 築 物 之 排 列 組 合 狀 況 ， 以 確 立 邊 界 層 流 中 雙 棟 建 築 物 之風 力 特 性 ， 而 且 縱 向 排 列 方 式 對 目 標 模 型 影 響 較 大 。 目 前 規 範 對 於 頂部 風 場 的 探 討 較 少 ， 有 關 於 風 壓 部 分 著 重 於 女 兒 牆 內 外 壓 差 的 探 討 ，可 以 在 頂 部 流 場 風 壓 上 規 劃 更多的量測，以利其他使用者之參考。 在低雷諾數或三維流場量測下有較多雜訊產生，可以藉由數據分. XIII.
(18) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 析 方 式 (如 小 波 轉 換 或 Hilbert 轉換 )尋 找出相 關 影響的 機 制。. XIV.
(19) 圖次. ABSTRACT Keywords:. free. end. velocity. distribution 、 wind. tunnel. experimental、surface prexxure. This study experimentally investigates the free end surface pressure distribution and wind force on the objective building. The experimental conditions include single building and two buildings side-by-side arrangement type with different gap ratios.. The electronic. pressure. scanner. can measure the. fluctuating wind pressures pressure taps simultaneously. Based on the pressure measurement, the mean pressure distributions can be evaluated. From the vortex shedding experimental result, we can find the vortex shedding signals are more clearly, when the reference model height is more than objective model height. Base on the force measurement, we can find the Cd is negative value at large aspect ratio of the reference model. From the experimental results, we can find that the reference model height 、arrangement type. and interval space are important. factors on the objective model wind load. So we have two main suggestions on the future work. One is getting more data-base on the two buildings wind tunnel experiments, the other is to analyze the experiment data by HHT method.. XV.
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(21) 第一章 緒. 第一章 緒. 論. 論. 第一節 研究緣起與背景. 壹、研究緣起 近年來政府鼓勵開發利用多種替代能源，而經濟部於民國九十 一年六月發佈了促進產業升級條例細則，條例內容亦鼓勵裝設風力 發電或太陽能發電等設備，以長遠來看風力發電可能會漸漸被推廣 至一般民眾。近年來已有小型風力發電機裝置於樓頂，目前國內已 有 廠 商 完 成 200W 至 1000W 垂 直 式 發 電 機 的 產 品，其 外 觀 尺 寸 之 寬 度 與 高 度 約 為 2-3m。無 論 在 都 會 區 或 是 郊 區，這 種 發 電 機 的 可 能 裝 置地點之一即是在建築物的頂樓，因為頂樓的風速較高，發電機運 轉的效能較高較具有利用價值。矩形建築物在風域中紊流流場之特 性分析一向是建築研究領域中重要的一環。在這個考慮之下，樓頂 的風場特性表現具有絕對的影響，所考慮的風場特性包含平均風速 分佈及速度擾動量的大小。 單一高層建築物於風域中之流場變化，常為研究建築物風荷重之 基 本 情 況，單 一 建 築 物 模 型 風 洞 測 試 是 一 個 基 本 情 況，其 測 試 項 目包 含 了 表 面 風 壓、受 風 載 重、風 阻 試 驗 等 項 目，但 是 對 於 頂 部 流 場 的 觀 察較缺乏，其主要原因是在該區域的流場複雜，有一個大的尾流區 (wake region)。 關 於 單 一 鈍 形 體 模 型 (圓 型 或 方 型 截 面 )頂 部 區 域 的 風 場 特 性 ， 在 95 年 的 協 同 研 究 案 中 進 行 了 實 驗 研 究 ， 本 研 究 擬 參考 前研究之實驗方法與成果進一步考慮相鄰兩方柱相互影響對樓頂區 域風場特性的改變。. 1.
(22) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 貳、研究目的 本研究主要探討鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放的特性，計畫目 標有如下： (1). 系統化地探討不同高寬比情況與建築物幾何條件之改變對頂. 部流場之影響趨勢，以提供工程分析參考。 (2). 系統化實驗目標建築物與鄰棟建築物排列方式，並探討縱向. 排列與橫向排列結果。 (3). 改變不同的來流風場狀況，探討不同流場狀況下，目標建築. 物頂部流場影響狀況。 (4). 利 用 套 裝 軟 體 進 行 數 值 模 擬，提 供 實 驗 的 參 考 與 結 果 之 比 對。. 參、研究方法 本研究之工作包括風洞模型試驗與數值模擬計算兩個部份，茲 分述如後： (5). (1)風 洞 模 型 試 驗. 1.來 流 風 況 除均勻來流外，本研究擬於針對代表大型都會中心地形的大氣 邊界層形式之來流風場中進行實驗量測，目標邊界層平均風速剖面 以 指 數 律 表 示 之 指 數 約 為 0.32(地 況 A)， 邊 界 層 厚 度 約 為 1.5 米 。 2. 建 物 模 型 建築模型為三維方柱以壓克力板粘合製作，方柱的寬度為 150mm， 以 模 型 寬 度 為 特 徵 長 度 D， 製 作 不 同 高 度 的 模 型 ， 高 度 分 別 為 300mm、600mm 及 900mm 三 種 方 柱 模 型，高 寬 比 分 別 為 2、4 及 6， 相 應 之 阻 塞 比 低 於 4%。 3.模 型 排 列 及 間 距 比 模型排列方式有縱向與橫向排列兩種，兩個模型之間距比分別為. 2.
(23) 第一章 緒. 論. 0.5D、1D 及 2D(對 應 距 離 為 75mm、150mm 及 300mm)，並 探 討 實 驗 結 果 差異。 (6). (2)數 值 模 擬. 數 值 模 擬 是 採 用 商 用 軟 體 FLUENT 進 行 相 關 計 算， 紊 流 模 型 為 K-ε 模 型 ， 將 不 同 高 寬 比 及 不 同 排 列 方 式 進 行 數 值 模 擬 ， 網 格 為 結 構 性 網 格 ， 有 90 萬 格 點 數 ， 採 用 局 部 加 密 方 式 進 行 計 算 。 (7). 研究步驟:. 1.風 洞 模 型 試 驗 ○ 1 試驗設施規劃與設計。 ○ 2 模型與試驗機構製作與建構。 ○ 3 模型試驗與量測。 2.數 值 模 擬 1 網閣建立。 ○. ○ 2 紊流模式測試。 ○ 3 數值計算結果與實驗比。 ○ 4 結論與成果報告. 3.
(24) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 4.
(25) 第二章 文獻回顧. 第二章 文獻回顧 單一高層建築物於風域中之流場變化，常為研究建築物風荷重 之基本情況，前人研究亦多著眼於此。然而在都市地區很少只有單 一建築物，大多數建築物都是毗鄰而立，而相鄰建築物頂部風場交 互作用，不同排列狀況便有不同的結果產生。. 第一節 相關研究. Sakamoto 與 Arie(1983)曾 經 提 出 圆 柱 與 方 柱 在 紊 流 邊 界 層 中 渦 流 溢 放 的 觀 察，分 別 使 用 不 同 寬 高 比 的 模 型 置 入 紊 流 邊 界 層 中，可 以 找 出 St(Strouhal No.)與 模 型 寬 高 比 之 間 的 關 係，而 且 其 結 果 會 因 雷 諾數 的不同而改變。 Sitheeq(1997)等 人 將 10cm×10cm×25cm 方 柱 置 於 模 擬 不 同 流 況 的 大 氣 邊 界 層，以 壓 力 掃 描 閥 量 取 表 面 瞬 時 壓 力、擾 動 壓 力 係 數 及 平 均 壓 力 等，在 不 同 流 況 下 量 測 風 場 紊 流 強 度 和 積 分 尺 度 對 模 型 上 方 及 側 向再回復現象。 Okajima(1984) 橫 向 排 列 的 兩 個 方 柱 研 究 上 作 了 許 多 風 洞 的 實 驗，其主要在探討雙柱之間不同間隙時，不同雷諾數下渦流溢放頻 率 關 係 ， 當 間 距 在 1～ 1.5D 時 ， 後 方 的 尾 流 場 較 不 安 定 。 Murakami(1988) 對 立 方 柱 進 行 過 相 關 的 數 值 模 擬，他 認 為 當 流 體通過方形柱體，在前端銳緣處會產生分離，會在下游有一個在接 觸區，背風面會產生一個渦流區。而在頂部流場會有一個逆流的區 域。 Kobayasi(1976)採 用 風 洞 量 測 均 勻 流 來 流 下 在 雷 諾 數 為 1.2~7.6× 10 5 於 不 同 間 距 比 作 用 在 橫 列 雙 方 柱 之 昇 力 係 數 及 阻 力 係 數 分 佈。實. 5.
(26) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 驗 結 果 顯 示 於 兩 方 柱 極 為 接 近（ S/D≦ 0.1）時 C D 有 最 大 值，而 隨 著 間距比之增加，方柱相應之阻力係數呈現漸減之趨勢。此外，兩方 柱之昇力係數於所有間距比情況下皆不為零。 Sarode 等 （ 1981） 於 實 驗 研 究 中 發 現 ， 紊 流 場 中 橫 向 排 列 之 雙 方 柱 其 平 均 阻 力 係 數（ C D ）皆 比 單 一 柱 體 時 為 高。而 當 間 距 比 (S/D) 小 於 3 時 ， CD 值 隨 間 距 之 增 大 而 呈 現 上 昇 的 趨 勢 。 Sun 等 (1995)於 雷 諾 數 為 1.03×10 5 時，量 測 不 同 寬 深 比 之 雙 矩 柱 (含 雙 方 柱 )於 各 間 距 比 下 所 相 應 之 流 場 特 性 。 實 驗 中 發 現 ， 當 2 個 方 柱 為 橫 向 排 列 時，在 微 小 間 距 比 (S/D＜ 0.1)其 壓 力 分 布 近 似 於 寬 深 比 為 0.5 之 單 一 矩 柱 。 而 其 間 距 比 小 於 2 時 ， 雙 方 柱 之 中 間 間 隙 流 系成穩定地偏向其中一柱。導致上下方雙柱相應之平均阻力係數 ( C D )不 同 ， 並 隨 著 間 距 之 加 大 兩 柱 之 C D 值 趨 於 一 致 ， 於 間 距 比 大 於 3 後其值約與單一方柱相同。而於雙柱縱向排列時發現，在間距 比 為 3.5 時 ， 後 柱 之 C D 值 由 負 值 轉 為 正 值 。 Tutar 等 (2002)在 探 討 雙 棟 並 排 建 築 物 流 場 的 數 值 模 擬 研 究 成 果 指出，對於同樣高度的雙棟並排建築物而言，隨著兩建築物間距的 增 大 ， 所 產 生 氣 流 渦 漩 的 強 度 反 而 減 小 。 LES 模 擬 方 法 中 的 RNG 次網格尺寸模型運用在雙棟並排建築物的大氣流場時，大致而言具 有較佳的模擬成果且與實驗結果相符。但該模擬方法在預測該並排 建築物間通道入口端處的流場時，則仍待檢討改進。 卓 勇 志 (2001)探 討 雙 棟 並 排 矩 形 建 築 物 (B/D=2、H/D=7.5)，在 不 同 間 距 比 之 相 鄰 側 風 面 (confronted side face)之 表 面 風 壓 ， 建 築 物 迎 風面皆為窄迎風面模式。研究中發現，相鄰面靜態壓力分布：最大 負 壓 之 CP 均 發 生 在 x/D=0.125、z/D=0.87~0.93 處，分 布 趨 勢 與 單 棟 建 築 側 風 面 相 近。 CP 值 隨 著 間 距 比 縮 小 而 增 加 負 壓。而 史 特 赫 數 隨 間距比增大而減小，顯示兩棟建築物越靠近，所產生的渦漩逸散頻 率 越 大。此 外，間 隙 風 速 隨 間 距 比 減 小 而 增 大 的 趨 勢，在 S/D < 0.5 時轉為相反，間距更小時風速反而減緩。. 6.
(27) 第二章 文獻回顧. Miau（ 1996） 等 人 自 由 流 紊 流 擾 動 對 並 列 垂 直 平 板 尾 流 的 影 響，在 不 同 的 自 由 流 紊 流 擾 動 情 況 下，以 瞭 解 間 隙 流 (gap flow)受 間 距 比 影 響 之 結 果 ， 視 流 觀 察 結 果 顯 示 ， 0＜ G/D＜ 2.0 時 ， 間 隙 流 穩 定 地 偏 向 一 側 ， 造 成 尾 流 呈 非 對 稱 分 佈 ， 在 G/D≧ 2.0 後 ， 間 隙 流 不偏向，尾流呈對稱分佈。風洞實驗結果顯示，加入自由流紊流擾 動 後 對 於 尾 流 特 徵 頻 率 並 無 影 響 ， 但 能 使 卡 門 渦 流 串 (Karman vortex street)形 成 處 提 前 發 生 ； 對 間 隙 流 擺 動 之 影 響 則 使 得 擺 動 次 數最大值的發生位置有往低間距比移動的趨勢，且由穩定偏向改變 成不穩定擺動的間距比會降低；對三維效應之影響則隨紊流擾動的 增加，使得三維效應愈明顯。 綜括上述文獻研究成果指出，對於雙棟橫向並排的建築物環境 風場，無論是二維流況或是三維流況的探討，均能發現隨著建築物 之間的間距加大，渦流溢散的程度將逐漸減弱，甚至該間距增大至 一定程度時，兩建築物對流場的影響，將不再產生互制效應，亦即 形成兩個獨立的單棟建築物環境風場。. 第二節 耐風設計規範. 壹、風速之垂直分佈 風速隨距地面高度增加而遞增，與地況種類有關，依下列指數 律公式計算之： Vz ⎛ z ⎞ =⎜ ⎟ V10 ⎝ 10 ⎠. α. ； 0≦ z≦ z g. (2-1). 其中， Vz. ：. V 10 ：. 高 度 z 處 之 風 速 (m/sec)。 10 公 尺 高 之 風 速 (m/sec)。. 7.
(28) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. α. ：. 相 對 於 10 分 鐘 平 均 風 速 之 垂 直 分 布 法 則 的 指 數 ， 與 地. 況 種 類 有 關 ， 見 表 2-1。 zg. ：. 梯 度 高 度 (m)， 與 地 況 種 類 有 關 ， 見 表 2-1。. 地況種類依建築物所在位置及其附近地表特性而定，分成以下 三類： 地 況 A：大 城 市 市 中 心 區，至 少 有 50%之 建 築 物 高 度 大 於 20 公 尺 者。建 築 物 迎 風 向 之 前 方 至 少 800 公 尺 或 建 築 物 高 度 10 倍 的 範 圍 （ 兩 者 取 大 值 ） 係 屬 此 種 條 件 下 ， 才 可 使 用 地 況 A。 地 況 B： 大 城 市 市 郊 、 小 市 鎮 或 有 許 多 像 民 舍 高 度 （ 10~20 公 尺） ，或 較 民 舍 為 高 之 障 礙 物 分 布 其 間 之 地 區 者。建 築 物 迎 風 向 之 前 方 至 少 500 公 尺 或 建 築 物 高 度 10 倍 的 範 圍（ 兩 者 取 大 值 ）係 屬 此 種 條 件 下 ， 方 可 使 用 地 況 B。 地 況 C： 平 坦 開 闊 之 地 面 或 草 原 或 海 岸 或 湖 岸 地 區 ， 其 零 星 座 落 之 障 礙 物 高 度 小 於 10 公 尺 者 。 若附近地況為介於地況 A 與地況 B 間或地況 B 與地況 C 間之過 渡地況，原則上應採用會產生較大風力之地況，但也可利用可信賴 之合理分析法，決定此一過渡地況之風速垂直分布。. 表2-1 地況相關參數. 地況. 8. m). b. l(m). ε (m).
(29) 第二章 文獻回顧. 9.
(30) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 第三章 研究方法. 第一節 實驗方法. 壹、試驗設施與量測設備 本計劃鄰棟建築頂部流場及渦流溢放實驗於貴所位於歸仁之風 洞實驗室進行，風洞本體為一垂直向的封閉迴路系統，總長度為. 77.9m ， 最 大 寬 度 為 9.12m ， 最 大 高 度 為 15.9m 。 該 風 洞 有 兩 個 測 試 區 ， 第 一 測 試 區 截 面 積 為 4 米 寬 2.6 米 高 ， 該 實 驗 段 主 要 做 建 築 物 風場特性的測試，有兩個迴轉盤可以架設模型，本實驗架設於第二 迴轉盤上。 建築模型以壓克力板粘合製作，以垂直方式固定於第一測試區 截 面 (4m x 2.6m) 之 第 二 轉 盤 處 ( 如 圖 3-1)，。模 型 採 用 不 同 高 寬 比 之 方 柱 ， 相 應 之 阻 塞 比 低 於 4% 。 模 型 頂 部 埋 設 有 180 個 壓 力 孔 ， 模 型迎風面壓力孔配置因不同高寬比而有不同的壓力孔數。透過壓力 傳輸管線系統與量測儀器連接，再利用電子式壓力掃瞄器. (Scanivalve ； ZOC 33) 量 測 風 壓 資 料 ( 如 圖 3-2 所 示 ) 。 模 型 下 游 渦 流 溢 放 的 量 測 係 以 熱 線 (Hot Wire) 探 針 配 合 恆 溫 流 速 儀 (Constant Temperature Anemometer; DANTEC 9090N10101) 進 行 實 驗 ( 如 圖 3-3 及 圖 3-4 所 示 )，而 入 口 風 速 則 採 用 皮 托 管 ( 如 圖 3-6 所 示 ) 配 合 薄 膜 式 壓 力 計 (VALIDYNE. Transducer ； DP103) 。 本實驗所使用之量測設備介紹如下：. 10. Differential. Pressure.
(31) 第三章 研究方法. 圖 3-1 鄰 棟 建 築 物 模 型 實 驗 架 設 圖. (8). 電子式壓力掃瞄器. 表 面 風 壓 量 測 採 用 電 子 式 壓 力 掃 瞄 器 (ZOC 33/64 PX ； 如 圖. 3-2) ， 該 系 統 每 個 單 一 模 組 有 64 個 壓 力 輸 入 管 (Pneumatic Inputs) ， 對 應 64 個 壓 電 式 壓 力 感 應 器，每 一 個 壓 力 感 應 器 皆 可 單 獨 校 正，輸 入 管 藉 由 內 徑 1mm PVC 管 連 接 至 模 型 量 測 點 以 量 測 壓 力 。 而 各 模 組 皆 連 接 至 壓 力 訊 號 處 理 系 統 (RAD BASE 3200) ， 此 系 統可支援類比數位訊號之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度達. 16bit ， 最 大 採 樣 頻 率 500Hz ， 傳 輸 介 面 為 USB ， 具 網 路 控 制 及 傳 輸 功能。擷取資料轉換完成之後由此系統傳至個人電腦儲存分析。. 11.
(32) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 圖 3-2 電 子 式 壓 力 掃 瞄 器 (9). 熱線流速儀. 在 必 要 的 風 場 量 測 上 ， 本 實 驗 使 用 DANTEC 之 熱 線 流 速 儀. (constant temperature anemometer，如 0、 0)。熱 線 探 針 的 率 定 配 合 已 完 成 率 定 的 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器，在 風 洞 入 口 處 地 面 架 上 皮 托 管 ( 平 行 中 心 線 )，將 其 動 靜 壓 接 於 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器 上，孔 口 位 置 距 離 地 面. 40 cm 高，而 熱 線 探 針 利 用 移 動 機 構 架 於 與 皮 托 管 孔 口 等 高、平 行 、 盡量接近的位置，最後利用熱線探針所得的電壓值與薄膜式壓力轉 換器轉換後的風速得出一條四次方多項式的迴歸曲線。. 12.
(33) 第三章 研究方法. 圖 3-3 熱 線 探 針. 圖 3-4 熱 線 測 速 儀 (10) 皮 托 管 本實驗中採用皮托管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 伯 努 利 方 程 式 (Bernoulli equation)，即 依 據 後. 13.
(34) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 式計算出相應之風速。. U=. 2 Δp. (3-1). ρ air. (11) 壓 力 轉 換 器 本 研 究 採 用 的 壓 力 轉 換 器 為 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器 (VALIDYNE. DP103-18 ， 如 圖 3-7) ， 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 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 256Hz，取 樣 時 間 為 70 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。. 圖 3-5 皮 托 管. 14.
(35) 第三章 研究方法. 圖 3-6 薄 膜 式 壓 力 計. (12) 資 料 擷 取 系 統 實 驗 所 量 得 之 類 比 訊 號 係 經 由 IOTECH ADC-488/8SA 擷 取 後 作 類 比 數 位 (analog-digital) 轉 換 (0) 。 本 系 統 共 有 8 組 輸 入 端 ， 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 200 kb/s 的 速 度 經 由 IEEE-488 界 面 傳 至電腦，進行資料儲存與統計運算。. 15.
(36) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 圖 3-7 資 料 擷 取 系 統 (6)油 流 實 驗 在 進 行 速 度 量 測 前 會 對 流 場 作 油 流 的 視 流 實 驗，以 觀 察 流 場 定 性的特性，本計劃中欲瞭解有限高度圓柱與方柱頂部速度分佈與 下游流場渦流溢放的量測，本研究將先進行油流實驗作一定性觀 察 。 將 使 用 二 氧 化 鈦 、 油 酸 及 白 蠟 油 依 照 3： 1： 6 的 比 例 進 行 調 製。在實驗過程中因為實驗條件不同二氧化鈦與白蠟油的比例需 要作調整，在風速較低的情況下需要降低二氧化鈦的比例用以增 加混和液的流動性；如果在風速較高或者實驗面積較大的情況下 需要增加混和液黏滯性，所以要增加二氧化鈦的比例。觀察三維 鈍形體頂部流場時，吾人將油流混和劑以油漆刷均勻塗抹於模型 表 面，而 後 啟 動 風 洞 進 行 實 驗。要 觀 察 鈍 形 體 近 地 面 尾 流 部 分 時 ， 吾 人 將 模 型 架 設 時，在 模 型 與 風 洞 迴 轉 盤 中 間 加 上 一 塊 1.2 m×2.4m 的黑色美耐版，將調製好的油流混和劑均勻塗抹於美耐版上，然 後啟動風洞進行吹試。實驗進行時間需要直接觀察油流的情況， 直到油流略微凝固不再有變化，便停止風扇運轉進入風洞內以數 位單眼相機進行拍攝。雖然所得為定性結果，但是可以藉由所拍. 16.
(37) 第三章 研究方法. 攝照片觀察出流場初步結構，對後續速度及壓力場的量測可以提 供感測器擺放位置參考。. 貳、試驗狀況 試 驗 所 採 用 的 主 要 變 數 有 高 寬 比 (H/D) 間 距 比 (S/D) 及 邊 界 層 特 性 ( 採 用 均 勻 都 市 )，建 築 物 高 寬 比 (H/D) 有 2、 4 及 6，本 研 究 之 參 數 定 義 與 實 驗 配 置 如 圖 3-8 所 示 。 規 劃 測 試 風 速 範 圍 為 10m/s 至. 20m/s ， 雷 諾 數 分 布 約 在 10 5 至 2 × 10 5 之 間 。 模 型 配 置 之 間 距 比 採 用 0.5 、 1 、 2 ( 相 應 距 離 為 7.5 、 15 、 30 公 分 ) ， 並 將 縱 列 與 橫 列 方 式 作 比對分析。 研 究 中 邊 界 層 來 流 欲 採 用 均 勻 (Uniform)與 都 市 等 2 種 特 性 之 地 況 ， 邊 界 層 流 場 特 性 如 表 3-1所 示 。. H S. Flow. 圖 3-8 研 究 個 案 示 意 圖. 17.
(38) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 表 3-1 實 驗 用 流 場 條 件 地況. 地況 B. 地況 A. 邊 界 層 厚 度 δ (cm). 138.82. 139.19. 層 緣 風 速 U δ (m/s). 14.21. 15.35. 冪數率α. 0.21. 0.32. 0.64 6.01 × 10 - 2. 1.10. 參數. *. 剪 力 速 度 u (m/s) 粗 糙 長 度 z o (cm) 地 表 阻 力 係 數 Cd. 2.0 × 10. -3. 0.83 5.02 × 10 - 3. 第二節 量測分析項目. 由單點風壓歷時資料可計算得單點之平均與擾動性風壓係數， 配 合 歷 時 資 料 的 合 成 可 計 算 的 平 均 與 擾 動 性 之 阻 力 /橫 風 向 升 力 係 數。各係數定義如下： 平 均 風 壓 係 數 CP =. 平 均 阻 力 係 數 CD =. 平 均 昇 力 係 數 CL =. 18. P ρU 2. (3-2). 1 2. FD ρU 2 HD. (3-3). 1 2. FL ρU 2 HD. (3-4). 1 2.
(39) 第三章 研究方法. 第三節 數值方法. 本 研 究 採 用 一 商 用 軟 體 (FLUENT) 做 為 模 擬 定 常 流 場 的 工 具 ， 其 求 解 Navier-Stokes 方 程 式 ：. v ∂ρ + ∇ ⋅ ( ρV ) = 0 ∂t. (3-5). v vv v v ∂ ( ρV ) v + ∇ ⋅ ( ρVV ) = −∇P + ∇ ⋅ ( μ∇V ) ∂t. (3-6). v 以上ρ為密度， V 為速度，P 為壓力，μ為黏滯係數。並使用結構性形 心 有 限 體 積 法 (Cell- Centered Finite Volume Method)， 流 場 變 數 如 速 度 、 壓 力 等 都 存 置 於 每 個 網 格 的 形 心 上 。 在 求 解 (3-5)和 (3-6) 式 ， 則 採 用 Pressure-Based Method 的 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure- Linked Equation Consistent)演 算 法 則 。 計 算 流 場 網 格 以 二 維 結 構 性 多 區 域 網 格 (2-D Structured Multi-Zone Grid)處 理 ， 空 間 插 分 用 二 階 上 風 (Upwind)法 ， 而 求 解 定常流場則忽略對時間的微分項；在求解非定常流場時間積分則採 用 二 階 準 確 之 Crank-Nicolson 方 法 。 首 先 計 算 出 一 定 常 流 場 的 結 果，再以定常結果當作初始條件的流場，並開始計算隨時間變化之 非定常流場。. 19.
(40) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 第四章 結果與討論. 第一節 油流實驗. 進行渦流溢放的實驗前，先進行油流實驗，所得到定性的結果 可以觀察出尾流區域的大小，而尾流區域內的流場狀況為逆流場， 所以無法使用熱線或皮托管進行量測，在進行速度場量測或壓力場 量測前必須先進行油流實驗，可以對所欲進行實驗的流場結構有初 步瞭解，以利後續實驗進行。 實 驗 位 置 在 第 一 測 試 區 第 二 迴 轉 盤 進 行 ( 如 圖 4-1)，入 口 風 速 為. 13.5m/s，兩 方 柱 之 間 的 距 離 為 1D，改 變 不 同 高 寬 比 模 型 進 行 實 驗 ， 觀察目標模型表面及模型下游流場油流實驗結果，並針對所得到結 果進行分析比較。 當 使 用 兩 個 方 柱 為 縱 向 排 列 ( 排 列 方 向 與 來 流 方 向 平 行 )，在 前 方 柱（ 參 考 模 型 ）高 寬 比 為 4，目 標 方 柱 為 高 寬 比 為 6，雷 諾 數 為 1.16 × 10 5 ， 模 型 下 游 之 油 流 結 果 如 圖 4-2 所 示 ， 可 以 由 圖 上 觀 察 出 在 方 柱 後 方 1D 的 位 置 尾 流 區 的 大 小 約 為 1 D， 目 標 方 柱 下 游 有 一 馬 蹄 窩 的 流 場 結 構 ； 目 標 方 柱 表 面 的 油 流 的 結 果 如 圖 4-3 所 示 ， 側 面 油 流 結果受到前方方柱的影響，產生一個明顯的分離線，高度約在. 3.75~4D 位 置 ， 與 前 方 參 考 模 型 的 高 度 相 當 ， 由 目 前 結 果 頂 部 觀 察 不出特殊的場結構，其原因為目標柱體頂部速度場較小，所以油流 試劑比例須要調整較有流動性。 改 變 參 考 模 型 高 度 為 2D ， 目 標 模 型 高 度 維 持 6D ， 使 用 相 同 的 雷 諾 數 下 進 行 油 流 實 驗 ， 模 型 下 游 的 油 流 實 驗 結 果 如 圖 4-4 所 示 ， 可 以 由 圖 上 觀 察 出 在 方 柱 後 方 1D 的 位 置 尾 流 區 的 大 小 約 為 1.5D ， 且由圖上可以觀察有油流飛濺的跡象，這是目標模型下游流場的三. 20.
(41) 第四章結果與討論. 維 性 質 所 造 成 的 結 果 ； 目 標 方 柱 表 面 的 油 流 的 結 果 如 圖 4-5 所 示 ， 側面油流照片上可以看出受到前方參考方柱的影響，產生一個明顯 的 分 離 線，高 度 約 在 1~1.5DD 位 置，與 參 考 模 型 高 度 相 當，目 標 模 型頂部油流結果可以看出拋物線形狀的流場分離線。 參 考 模 型 高 度 增 加 為 6D ， 而 目 標 模 型 高 度 為 6D 的 情 況 下 ， 以 相 同 的 來 流 速 度 進 行 實 驗 ， 模 型 下 游 的 油 流 實 驗 結 果 如 圖 4-6 所 示，由圖上觀察出在兩方柱之間有一個明顯尾流區域，先前參考模 型 高 度 為 4D 與 2D 的 油 流 實 驗 結 果 上 無 法 明 顯 觀 察 出 類 似 的 結 果， 目 標 模 型 後 方 下 游 1D 的 尾 流 區 域 約 為 2D 大 小，可 以 觀 察 出 目 標 柱 後方兩個尾流結構較小也較為明顯；目標方柱表面的油流的結果如 圖 4-7 所 示 ， 側 面 油 流 結 果 並 無 發 觀 察 出 明 顯 的 分 離 線 這 與 前 兩 個 實驗結果差異很大，目標模型頂部油流結果可以看出的流場分離 線 ， 但 是 分 離 線 的 外 型 並 非 如 同 先 前 參 考 模 型 高 度 為 4D 之 實 驗 結 果。. flow. 圖 4-1 油流實驗架設圖. 21.
(42) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. flow. 圖 4-2 縱列模型地表下游油流結果(Hr/Ho=4/6). flow. flow 圖 4-3 縱列目標柱表油流結果(Hr/Ho=4/6). 22.
(43) 第四章結果與討論. flow. 圖 4-4 縱列目標柱地表油流結果(Hr/Ho=2/6). flow. 圖 4-5 縱列目標柱表面油流結果(Hr/Ho=2/6). 23.
(44) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. flow. 圖 4-6 縱列目標柱地表油流結果(Hr/Ho=6/6). flow. 圖 4-7 縱列目標柱表面油流結果(Hr/Ho=4/6). 本研究將目標模型型與參考模型做橫風向方式排列，目標模 型 的 高 度 為 6D，參 考 模 型 的 高 度 為 2D，兩 型 間 的 距 離 為 1D，來 流 雷 諾 數 為 1.16×10 5，進 行 相 關 的 油 流 實 驗，目 標 模 型 下 游 之 油 流 實 驗 如. 24.
(45) 第四章結果與討論. 圖 4-8 所 示，目 標 模 型 後 方 流 場 受 到 旁 邊 模 型 的 影 響 偏 一 邊，遠 離 參 考 模 型 那 一 側 後 方 1D 位 置，分 離 線 大 小 約 為 2D，模 型 後 方 停 滯 區 域 較 縱 向 排 列 的 結 果 大，且 尾 流（ wake）結 構 離 目 標 模 型 較 遠；目 標 方 柱 表 面 的 油 流 的 結 果 如 圖 4-9 所 示，側 面 油 流 結 果 並 無 發 觀 察 出 明 顯 的，目 標 模 型 頂 部 油 流 結 果 可 以 看 出 的 流 場 分 離 線，但 是 分 離 線 的 受 到側邊模型的影響偏向一側。. flow. 圖 4-8 橫列目標柱地表油流結果(Hr/Ho=2/6). flow. flow 圖 4-9 橫列目標柱表面油流結果(Hr/Ho=2/6). 25.
(46) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 第二節 穩態數值模擬結果. 進行渦流溢放及表面風壓量測前，先使用商用套裝軟體. (FLUENT) 進 行 模 擬 ， 本 研 究 是 採 用 K- ε 紊 流 模 型 ， 使 用 結 構 性 網 格，模 型 表 面 採 用 加 密 格 點，格 點 數 約 為 93 萬，採 用 二 階 上 風 法 ， 模 擬 的 雷 諾 諾 數 為 1.16 × 10 5 。 目 前 有 部 分 縱 向 排 列 的 模 擬 結 果 ， 圖 4-10~12 為 高 度 比 2D/6D 的 數 值 模 擬 結 果，圖 4-10 的 為 近 地 面 流 場 模 擬 的 結 果 與 圖 4-4 油 流 所 得 到 結 果 相 似，數 值 結 果 可 以 提 供 一 定 的 參 考 價 值。圖 4-11 為 中 心剖面的模擬結果，一為平均壓力分布，另一個為流場流線結果， 在 迎 風 面 壓 力 較 大，此 結 果 符 合 物 理 上 的 狀 態，圖 4-12 為 目 標 建 築 物 高 度 (Z=6D) 截 面 的 數 值 模 擬 結 果， 在 目 標 建 築 物 後 方 可 以 看 出 有 兩個尾流區域互相影響，可以發現後目標模型後方流場相當複雜， 部 分 風 洞 實 驗 例 如：渦 流 溢 放（ vortex shedding ）量 測 則 需 要 避 開 尾 流區域。. 圖 4-10 縱列在近地面 Z~0D 截面數值結果(Hr/Ho=2/6). 26.
(47) 第四章結果與討論. 圖 4-11 縱列在中心剖面數值結果(Hr/Ho=2/6). 圖 4-12 縱列在高度 6D 截面結果(Hr/Ho=2/6) 圖 4-13~15 為 高 度 比 6D/2D 的 數 值 模 擬 結 果，圖 4-13 的 為 近 地 面流場模擬的結果，由壓力結果可以看出在兩柱之間為低壓區域， 由流線圖可以看出在兩柱之間有四個對稱的尾流，目標模型後方也. 27.
(48) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 有兩個對稱的尾流，目前沒有油流實驗可以比較，待日後油流實驗 補 齊 可 以 作 一 比 對 。 圖 4-14 為 中 心 線 截 面 數 值 模 擬 結 果 ， 6D 模 型 頂部及後方為一低壓區域，頂部壓力最低，後方目標模型也有受到 尾 流 的 影 響 ， 目 標 流 場 後 方 有 3-4D 的 區 域 是 一 個 逆 流 場 的 區 域 ， 這 是 受 到 前 方 模 型 尾 流 區 域 的 影 響 。 圖 4-15 為 目 標 建 築 物 高 度. (Z=2D) 截 面 的 數 值 模 擬 結 果 ， 由 壓 力 結 果 可 以 看 出 前 方 6D 模 型 兩 側有低壓區域，流線結果可以看出目標模型前後都有尾流區域，是 一個複雜的流場結構。. 圖 4-13 縱列高 2 在 Z~0D 截面數值結果(Hr/Ho=6/2). 圖 4-14 縱列在中心截面數值結果(Hr/Ho=6/2). 28.
(49) 第四章結果與討論. 圖 4-15 縱列在高度 2D 截面數值結果(Hr/Ho=6/2) 圖 4-16~18 為 高 度 比 6D/6D 的 數 值 模 擬 結 果，圖 4-16 的 為 兩 模 型 高 度 比 為 6D/6D 近 地 面 流 場 模 擬 的 結 果，由 壓 力 結 果 可 以 看 出 主 要的低壓區域在兩方柱之間，由流線圖可以看出在兩柱之間有四個 對 稱 的 尾 流 (wake) 結 構 ， 在 目 標 住 前 緣 的 尾 流 (wake) 結 構 較 小 。 目 標 模 型 後 方 也 有 兩 個 對 稱 的 尾 流 ， 這 一 結 果 前 述 目 標 柱 體 高 度 2D 參 考 模 型 高 度 6D 結 果 接 近 。 根 據 前 述 目 標 模 型 與 參 考 模 型 高 度 高 度 6D 油 流 實 驗 （ 如 圖 4-6 所 示 ）， 在 兩 方 柱 之 間 也 可 以 觀 察 出 個 停 滯區域，這可能是由四個尾流結構所構成只是在油流實驗無法很明 確 觀 察 出 47 個 尾 流 結 構，在 油 流 實 驗 照 片 上 目 標 方 柱 後 方 也 可 以 觀 察出兩個明顯的尾流結構，油流實驗的結果與數值模擬結果相近 似 。 圖 4-16 為 中 心 線 截 面 數 值 模 擬 結 果 ， 6D 模 型 頂 部 及 後 方 為 一 低壓區域，頂部壓力最低，後方目標模型頂部區域受到前方模型的 影 響 ， 目 標 流 場 後 方 有 3-4D 的 區 域 是 一 個 逆 流 場 的 區 域 ， 這 是 受 到 前 方 模 型 尾 流 區 域 的 影 響。圖 4-18 為 目 標 建 築 物 高 度 (Z=6D) 截 面 的 數 值 模 擬 結 果 ， 由 壓 力 結 果 可 以 看 出 前 方 6D 模 型 兩 側 有 低 壓 區. 29.
(50) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 域，流線結果可以看出目標模型後方尾流區域較小，與前兩個模擬 個案的頂部流場結構差異甚大。. 圖 4-16 縱列高度比 6D/6D 在近地面 Z~0D 數值結果. 圖 4-17 縱列高度比 6D/6D 在中心截面數值結果. 30.
(51) 第四章結果與討論. 圖 4-18 縱列高度比 6D/6D 在高度 6D 數值結果. 31.
(52) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 第三節 目標柱體表面壓力分佈結果. 壹、目標柱體頂部壓力分布 本研究將不同高寬比的模型頂部及迎風面依照等間距設立壓力 孔進行表面壓力的量測，利用壓力掃描閥進行壓力擾動的量測，每 一 個 壓 力 孔 取 樣 數 目 為 20000 點 ， 壓 力 孔 與 壓 力 孔 掃 描 間 隔 時 間 為. 100*10 -6 杪，將 每 一 孔 壓 力 數 據 取 平 均，且 求 取 Cp 變 化 情 形，本 實 驗 的 雷 諾 數 在 9*10 4 ~1.8*10 5 ， 圖 4-19 是 頂 部 壓 力 孔 排 列 位 置 圖 。. 圖 4-19 模型頂部壓力孔排列位置圖 頂部壓力量測在第一測試區第二迴轉盤進行，先進行高寬比為. 2 及 6 模 型 單 一 方 柱 的 模 型 實 驗 ， 實 驗 雷 諾 數 為 9*10 4 與 1.8*10 5 ， 其 壓 力 係 數 實 驗 結 果 如 圖 4-20 及 圖 4-21 所 示 ， 在 高 寬 比 2 的 情 況 下，模型上下游各有一個較為高壓力分佈的區域，中間部分是一個 低 壓 力 分 佈 區 域，高 寬 比 為 6 的 情 況 下 中 間 部 分 壓 力 分 佈 相 對 較 高。. 32.
(53) 第四章結果與討論. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.8*10 5. 圖 4-20 Ho=2D 頂部壓力實驗結果. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.8*10 5. 圖 4-21 Ho=6D 頂部壓力實驗結果 進 行 完 單 柱 之 後 目 標 模 型 與 參 考 模 型 高 度 比 2D/2D 在 不 同 雷 諾 數 下，在 間 距（ S ）為 0.5D、 1D 及 2D 實 驗 結 果 如 圖 4-22 至 圖 4-24 所示，由圖上可以觀察出目標模型頂部高壓力區域在靠近迎風面， 下游為一個低壓區域，由這 9 個結果可以發現在參考模型與目標模 型在相同間隙時，雷諾數效應影響不太明顯，如果是相同間隙不同. 33.
(54) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. 雷諾數情況下，都是迎風區域壓力分佈較高，下游為低壓區域。. (a)Re=0.9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C) Re=. 1.8*10 5. 圖 4-22 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=0.5D). (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-23 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=1D). (a)Re=0.9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-24 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/2D，S=2D). 34.
(55) 第四章結果與討論. 參 考 模 型 與 目 標 模 型 高 度 比 4D/2D 在 不 同 雷 諾 數 下 ， 在 間 距 （ S ） 為 0.5D 、 1D 及 2D 實 驗 結 果 如 圖 4-25 至 圖 4-27 所 示 。 在 間 隙 比 較 小 的 時 候 (S=0.5D，圖 4-25)，高 壓 力 分 布 區 集 中 在 中 間 位 置， 低壓區域在下游靠近頂部邊緣。當增加間隙比，高壓區域逐漸往上 游 移 動 ， 在 間 隙 比 為 2D 時 ， 移 動 至 迎 風 面 銳 緣 處 。. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-25 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/2D，S=0.5 D). (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-26 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/2D，S=1D). 35.
(56) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-27 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=4D/2D，S=2D) 當 參 考 模 型 高 度 增 加 至 6D ， 下 游 目 標 模 型 高 度 維 持 2D ， 改 變 不 同 間 距 比 S=0.5 D、 1D 及 2D， 雷 諾 數 由 9*10 4 與 1.8*10 5 ， 實 驗 結 果 如 圖 4-28 至 4-30。 整 個 壓 力 分 佈 已 經 為 負 壓 分 佈 ， 其 原 因 是 流 體流經過一較高的參考模型，造成模型下游為一個低壓尾流區域， 目標模型頂部受到前方模型尾流區域影響成為負壓區域。當間隙比 較 小 的 時 候 (S=0.5D ， 圖 4-28) ， 高 壓 力 分 布 區 集 中 在 中 間 位 置 ， 低 壓區域在下游靠近頂部邊緣。當增加間隙比，高壓區域逐漸往上游 移 動 ， 在 間 隙 比 為 2D 時 ， 移 動 至 迎 風 面 銳 緣 處 。. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-28 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=0.5D). 36.
(57) 第四章結果與討論. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-29 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=1D). (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-30 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=6D/2D，S=2D) 當 目 標 模 型 高 度 增 加 至 4D ， 下 游 參 考 模 型 高 度 為 2D ， 改 變 不 同 間 距 比 S=0.5D、 1D 及 2D，雷 諾 數 由 9*10 4 與 1.8*10 5，實 驗 結 果 如 圖 4-31 至 4-33。比 較 三 個 圖 結 果 可 以 發 現 目 標 模 型 頂 部 下 游 為 低 壓 區 域 ， 當 目 標 模 型 與 參 考 模 型 間 距 比 加 大 (S=1D 及 2D) 時 ， 高 低 壓區域分布區是很接近，當相同間隙比增加其雷諾數，可以發現低 壓區域往下游的邊緣端靠近。. 37.
(58) 鄰棟建築物頂部流場及渦流溢放特性之研究. (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-31 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/4D，S=0.5D). (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-32 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/4D，S=1D). (a)Re=9*10 4. (b)Re=1.3*10 5. (C). Re=1.8*10 5. 圖 4-33 頂部平均壓力實驗結果(Hr/Ho=2D/4D，S=2D). 38.
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