不同高度開口位置對高層建築模型橫向風力及表面風壓之影響
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(3) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 研究主持人：劉文欽 共同主持人：李信宏. 內政部建築研究所自行研究報告 中華民國 99 年 12 月.
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(5) 目次. 目次 目次······················································································· II 圖次······················································································· II 摘. 要··················································································· II. 第一章 緒. 論 ······································································ 2. 第一節 研究緣起與背景 ·················································2 第二章 文獻回顧 ·································································· 2 第一節 相關研究 ·····························································2 第二節 數據分析 ·····························································2 第三章 研究方法 ·································································· 2 第一節 實驗方法 ·····························································2 第二節 西爾伯特-黃（HHT）數據分析 ·······················2 第三節 風洞紊流場風洞試驗 ·········································2 第四章 風洞實驗結果討論 ·················································· 2 第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節. 均勻流場下升阻力係數與風向角關係 ·············2 紊流場下升阻力係數與風向角關係 ·················2 模型開口為側邊升阻力與開口高度結果 ·········2 不同開口高度對橫風向渦流溢放之影響 ·········2 西爾伯特-黃轉換部分結果 ································2 不同開口高度孔內表面壓力分佈結果 ·············2. 第五章 結論與建議 ······························································ 2 第一節 結論 ·····································································2 第二節 建議 ·····································································2. I.
(6) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 參考書目················································································ 2 附錄························································································ 2.
(7) 目錄. III.
(8) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖次 圖 1-1 實驗模型架設座標示意圖（資料來源：本研究 整理） ····································· 2 圖 2-1 三維鈍形體流場示意圖 ················· 2 （資料來源：Holmes, 2001；Simiu & Scanlan, 1996） ··········································· 2 圖 2-2 圓柱開孔與不開孔對下游流場影響 ······· 2 圖 3-1 不同開口高度方柱體模型圖 ············· 2 圖 3-2 架設於風洞第一測試區入口皮托管 ······· 2 圖 3-3 薄膜式壓力轉換計 ····················· 2 圖 3-4 Validyne 壓力計訊號放大器 CD-23 ······· 2 圖 3-5 NI 資料擷取系統 ······················ 2 圖 3-6 六軸力平衡儀 ························· 2 圖 3-7 高寬比為 6D 於 Re=1.82×10 5 時 Y 方向風力資料 ··········································· 2 圖 3-8 H=6D 方柱模型 Y 方向向風力數據之 IMF 結果2 圖 3-9 H=6D 方柱模型 IMF 之快速傅力葉結果 ···· 2 圖 3-10 H=6D 方柱模型西爾伯特轉換結果 ······· 2 圖 3-11 本所 98 年度協同研究中所建置紊流場格柵示. IV.
(9) 圖次. 意圖 ······································· 2 圖 3-12 紊流場產生格柵架設於風洞現況 ········ 2 圖 3-13 格柵後方 2.7 米處所量測得到紊流強度分佈 資料 ······································· 2 圖 4-1 入口風速為 12.4m/s 時不同開口高度平均阻力 係數 ······································· 2 圖 4-2 入口風速為 12.4m/s 時不同開口高度擾動阻力 係數 ······································· 2 圖 4-3 入口風速為 12.4m/s 時不同開口高度平均升力 係數 ······································· 2 圖 4-4 風向角 30 度時不同開口高度平均阻力係數 2 圖 4-5 風向角 30 度時不同開口高度擾動阻力係數 2 圖 4-6 風向角 30 度時不同開口高度平均升力係數 2 圖 4-7 風向角 60 度時不同開口高度平均阻力係數 2 圖 4-8 風向角 60 度時不同開口高度擾動阻力係數 2 圖 4-9 紊流場下風向角 0 度時不同開口高度平均阻力 係數 ······································· 2 圖 4-10 紊流場下風向角 0 度時不同開口高度擾動阻 力係數 ····································· 2. V.
(10) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖 4-11 紊流場下風向角 0 度時不同開口高度平均升 力係數 ····································· 2 圖 4-12 紊流場下風向角 30 度時不同開口高度平均阻 力係數 ····································· 2 圖 4-13 紊流場下風向角 30 度時不同開口高度擾動阻 力係數 ····································· 2 圖 4-14 紊流場下風向角 30 度時不同開口高度平均升 力係數 ····································· 2 圖 4-15 紊流場下風向角 60 度時不同開口高度平均阻 力係數 ····································· 2 圖 4-16 紊流場下風向角 60 度時不同開口高度擾動阻 力係數 ····································· 2 圖 4-17 均勻流場下風向角 0 度時不同開口高度平均 阻力係數 ··································· 2 圖 4-18 均勻流場下風向角 0 度時不同開口高度平均 阻力係數 ··································· 2 圖 4-19 均勻流場下風向角 0 度時不同開口高度平均 升力係數 ··································· 2 圖 4-20 均勻流場下風向角 30 度時不同開口高度平均. VI.
(11) 圖次. 阻力係數 ··································· 2 圖 4-21 均勻流場下風向角 30 度時不同開口高度擾動 阻力係數 ··································· 2 圖 4-22 均勻流中心開孔位置高度為 1Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-23 均勻流中心開孔位置高度為 2Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-24 均勻流中心開孔位置高度為 3Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-25 均勻流中心開孔位置高度為 4Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-26 均勻流中心開孔位置高度為 5Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-27 紊流中心開孔位置高度為 1Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-28 紊流中心開孔位置高度為 2Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-29 紊流中心開孔位置高度為 3Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2. VII.
(12) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖 4-30 紊流中心開孔位置高度為 4Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-31 紊流中心開孔位置高度為 5Ｄ時橫風向受力 FFT ········································ 2 圖 4-32 均勻流開孔位置於一側高度為 1Ｄ時橫風向受 力 FFT ······································ 2 圖 4-33 均勻流開孔位置於一側高度為 2Ｄ時橫風向受 力 FFT ······································ 2 圖 4-34 均勻流開孔位置於一側高度為 3Ｄ時橫風向受 力 FFT ······································ 2 圖 4-35 均勻流開孔位置於一側高度為 4Ｄ時橫風向受 力 FFT ······································ 2 圖 4-36 均勻流開孔位置於一側高度為 4Ｄ時橫風向受 力 FFT ······································ 2 圖 4-37 入口流速 7.4m/s 時，方柱橫風向風力之部分 IMF 結果 ···································· 2 圖 4-38 方柱部分 IMF 經由快速傅力葉轉換結果 ·· 2 圖 4-39 風速為 7.4m/s 時，IMF9 經由西爾伯特轉換後 結果 ······································· 2. VIII.
(13) 圖次. 圖 4-40 風速為 12.3m/s 時，經由西爾伯特轉換後結 果 ········································· 2. IX.
(14) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. X.
(15) 摘. 摘. 要. 要. 關鍵詞：建築物開口、風洞實驗、流場 一、研究緣起 高層結構物與風力之交互作用相當複雜，當風流經結構物時，由 於 流 體 本 身 的 速 度、紊 流 強 度 及 流 體 流 經 結 構 物 表 面 形 成 分 離 現 象導 致下游流場有尾流的產生，會使得結構物發生各種形式的振動。此 外，結構物振動也會影響附近的風場，改變風作用於結構物上的壓 力，進 而 又 使 結 構 物 的 振 幅 產 生 變 化，此 種 耦 合 現 象 稱 為 結 構 與 風力 互 制 之 氣 動 力 效 應。台 灣 常 用 的 R.C.建 材 愈 來 愈 不 足，取 而 代 之 的是 較 輕 的 建 材，又 因 都 市 化 的 關 係 對 高 樓 的 需 求 日 殷，這 許 多 因 素 使風 力 對 建 築 物 的 影 響 越 來 越 重 要。建 築 物 開 口 是 降 低 風 場 影 響 的 作 法之 一，本文即針對開口高度不同探討其影響程度。 二、研究方法 本 研 究 風 洞 實 驗 模 型 總 共 有 5 個 不 同 開 口 高 度 位 置，實 驗 進 行 過 程 將 個 別 開 啟 每 一 個 開 口，其 餘 4 各 開 口 皆 利 用 膠 帶 封 閉，並 利 用六 力 平 衡 儀 進 行 模 型 風 力 實 驗 量 測。本 實 驗 模 型 架 設 於 內 政 部 建 築 研 究 所 位 於 歸 仁 環 境 風 洞 之 第 一 測 試 區 的 第 一 迴 轉 盤 上，測 試 區 來 流 的流 場 狀 況 分 為 均 勻 流 場 及 紊 流 流 場，參 考 風 速 為 測 試 區 入 口 架 設 之 皮 托 管 所 量 得 風 速 ， 並 透 過 NI 的 資 料 擷 取 系 統 將 不 同 方 向 的 風 力 數 據 同 步 蒐 集 。 並 利 用 西 爾 伯 特 -黃 （ Ｈ Ｈ Ｔ ） 及 快 速 傅 力 葉 轉 換 數 據 分 析 方 式，將 所 得 時 間 序 列 的 數 據 進 行 時 間 頻 率 域 之 轉 換，可 進 一 步 瞭解 模型開口高度改變對不同方向風力之間影響。. XI.
(16) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 三、結論 （ 1） 方 柱 模 型 開 口 位 置 高 度 會 對 於 升 阻 力 係 數 有 相 當 程 度 影 響 ， 當 開 口 位 於 迎 風 面 中 心，且 來 流 風 向 角 度 為 0 度，當 開 口 高 度 4Ｄ 時， 無論在均勻流場或紊流場狀態下，對模型阻力係數都量測到最小值， 此 結 果 與 三 維 方 柱 迎 風 面 停 滯 點 高 度 約 為 模 型 高 度 2/3 位 置 物 理 現象 符合。 （ 2） 當 不 同 開 口 高 度 針 對 於 不 同 風 向 角 度 ， 其 阻 力 係 數 有 一 定 程 度 影 響。當 風 向 角 為 30 度 時，於 紊 流 場 時 開 口 高 度 在 3Ｄ 時 阻 力 係 數 較 大；當 風 向 角 為 60 度，在 均 勻 流 場 下 開 口 高 度 4Ｄ 阻 力 係 數 較 小 ， 於 紊 流 場 下 開 口 高 度 3-5Ｄ 都 平 均 阻 力 係 數 相 較 於 開 口 高 度 1Ｄ 及 2 Ｄ低。 （ 3） 模 型 於 一 側 不 同 高 度 開 口 時 ， 於 均 勻 流 場 狀 下 ， 最 大 平 均 阻 力 係 數 發 生 於 高 度 4Ｄ 位 置 ， 此 結 果 與 中 心 開 口 可 以 得 到 最 小 組 力 係 數差異性較大，針對此一結果需重複相關實驗進行確認。 （ 4） 橫 風 向 風 力 頻 譜 在 不 同 開 口 位 置 時 ， 其 主 要 特 徵 頻 率 都 有 所 差異，且開口位置在迎風面中心或靠近側壁都有明顯不同。 （ 5）由 方 柱 西 爾 伯 特 -黃 結 果 可 以 發 現，影 響 方 柱 側 向 力 變 化 之 主 要 流 場 結 構 為 渦 流 溢 放，但 時 頻 資 料 上 發 現，渦 流 溢 放 的 情 況 並 非連. XII.
(17) 摘. 要. 續，而是一個非穩態的流場情況。. 四、建議 1.立 即 可 行 建 議 : 確 認 風 洞 實 驗 相 關 條 件 之 正 確 性，並 進 一 步 利 用 不 同 儀 器 驗 證 橫 風向溢放頻率。 主辦機關：內政部建築研究所 （ 1） 目 前 對 該 流 場 有 初 步 認 識 ， 可 將 所 得 數 據 進 一 步 進 行 交 叉 比 對，確認在開口位置與風向角度影響。 （ 2） 均 勻 流 場 渦 流 溢 放 頻 率 可 藉 由 熱 線 測 速 儀 在 模 型 側 邊 進 行 量 測比對，確認渦流放頻率，並與六力平衡儀數據印證。. 2.遠 程 建 議 ： 增 加 相 關 實 驗 次 數 累 積 足 夠 資 料 庫，並 進 行 不 同 紊 流 強 度 數 據 可 供 設計參考。 主辦機關：內政部建築研究所 （ 1） 累 積 較 多 風 向 角 度 與 開 口 位 置 數 據 ， 將 資 料 進 行 系 統 性 整 理 可 提供建築設計時參考。 （ 2） 增 加 不 同 紊 流 強 度 的 風 洞 實 驗 ， 確 認 紊 流 場 對 開 口 柱 體 模 型 流 場之影響。. XIII.
(18) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. XIV.
(19) 摘. 要. Abstract Keyword: Building opening, Wind tunnel test, Flow field I. Introduction The interactions between wind and high rise buildings are very complex. Depending on the wind speed, the turbulence intensity, vortex shading, and the domain frequency of the building, the vibration will be induced differently. In spite, the vibration of buildings also affects the nearby wind flow, which thereafter affects the building vibration. The so-called coupling effect is also very important for the high rise building. There are several methods to reduce the wind induced vibration. Among these, allowed openings in the buildings may be an effective way. In this research, the influence of the opening will be investigated. II. Research Methods An square acrylic model with 5 openings at different altitudes was designed for the test. During the wind tunnel test, only one opening was allowed and the others were blocked. A force balance device was employed for the test measurement. The test was held in the first section of the ABRI wind tunnel lab. The uniform flow and the turbulence flow were both applied as the incoming flow field. By using the fast Fourier transform (FFT) and the Hibert-Huang transform (HHT), the test data was analyzed, and the flow change due to the opening at different. XV.
(20) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響 altitudes was investigated. III. Conclusion （ 1） The altitude of the opening has a certain influence on the lift and drag coefficients. If the altitude of the opening was 4 times of the width (4D), the drag coefficient was decreased. （ 2） Under different incoming wind angles, the opening at different altitude will have different effects on the drag coefficient. For the angle was 30°, the drag coefficient will be bigger if the opening altitude was 3D. however, if the angle was 60°, the drag coefficient will be smaller if the opening altitude was 4D. （ 3） If the opening was not on the central line of the model, the maximum drag coefficient occurred while the opening altitude was 4D. This result was opposite to the conclusion (1), and needs more tests to verify. （ 4） The domain frequencies were different if the location if the opening changed. （ 5） From the HHT analysis, the main flow structure to affect the sideway force of the square cylinder was the vortex shading. However, from the time domain of the test data, the vortex shading was not continuous but unstable. IV. Suggestions 1. Immediately applicable:. XVI.
(21) 摘. 要. To verify the credibility of the wind tunnel test, and measure the frequencies precisely of the vortex shading by using hot wire anemometry and force balance devices. Host Agency： ABRI. 2.Future applicable： To enhance the credibility by increasing the test data, and carry out the wind tunnel test under different turbulence intensities. Host Agency： ABRI. XVII.
(22) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. XVIII.
(23) 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，由於國內經濟的快速成長和營建技術水準的大幅提高， 加 上 台 灣 地 區 地 狹 人 稠，高 層 建 築 紛 紛 拔 地 而 起，這 些 高 樓 結 構 物 有 別於傳統的鋼筋混凝土建築，大都使用質量輕、強度高的建築材料， 且 具 有 高 寬 比 大、自 然 振 動 頻 率 低 及 阻 尼 低 之 特 性。由 於 這 些 風 敏感 特 性，使 得 風 力 作 用 成 為 地 震 之 外，在 結 構 設 計 階 段 所 必 須 考 慮 的重 要 因 素，特 別 是 地 處 西 大 平 洋 颱 風 區，風 害 頻 繁 的 台 灣。國 內 許 多超 高 層 大 樓，其 側 向 力 的 設 計 皆 取 決 於 強 風 作 用 下 結 構 安 全 性 與 舒 適性 之 考 量，並 非 以 地 震 力 做 為 控 制 因 素，由 此 可 見 風 力 效 應 在 高 樓 結構 設計的重要性。 高 層 結 構 物 與 風 力 之 交 互 作 用 相 當 複 雜，當 風 流 經 結 構 物 時，由 於 風 本 身 的 速 度、紊 流 強 度，以 及 風 於 結 構 物 表 面 形 成 分 離 現 象 導致 尾 流 的 產 生，皆 會 使 得 結 構 物 發 生 各 種 形 式 的 振 動。此 外，結 構 物 振 動 也 會 影 響 附 近 的 風 場，改 變 風 作 用 於 結 構 物 上 的 壓 力，進 而 又 使 結 構 物 的 振 幅 產 生 變 化，此 種 耦 合 現 象 稱 為 結 構 與 風 力 互 制 之 氣 動 力效 應。台 灣 常 用 的 R.C.建 材 愈 來 愈 不 足，取 而 代 之 的 是 較 輕 的 建 材，又 因 都 市 化 的 關 係 對 高 樓 的 需 求 日 殷，這 許 多 因 素 使 風 力 對 建 築 物 的影 響 越 來 越 重 要。建 築 物 開 口 是 降 低 風 場 影 響 的 作 法 之 一，本 文 即 針 對 開口研究其影響程度。 橫 風 向 渦 流 溢 放 是 造 成 模 型 橫 向 壓 力 擾 動 之 主 要 來 源，在 建 築 物 模 型 開 口 會 讓 下 游 流 場 有 噴 流 效 益 產 生，進 一 步 可 以 抑 制 渦 流 溢 放的. 1.
(24) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響 流 體 結 構。而 建 築 模 型 皆 為 有 限 高 之 模 型，在 有 限 高 模 型 條 件 下，橫 風 向 渦 流 溢 放 會 隨 量 測 高 度 不 同 而 有 所 改 變，所 以 開 口 高 度 會 決 定其 抑制渦流溢放之效果。 本 研 究 將 採 用 風 洞 實 驗 的 方 式 進 行 相 關 研 究，初 步 規 劃 的 實 驗 模 型 有 限 高 之 方 柱 模 型，在 方 柱 體 之 不 同 高 度 上 一 前 後 相 通 之 孔，方柱 的 高 度 為 6 倍 模 型 寬 度（ D），開 孔 的 大 小 為 0.2D×0.2D，孔 之 高 度 分 別 為 1D、 2D、 3D、 4D 及 5D。 風 洞 實 驗 初 步 進 行 模 型 受 風 力 實 驗 ， 觀 察 在 不 同 開 口 位 置 時 模 型，其 升 力 與 阻 力 之 間 變 化，同 時 量 測 側 向渦 流溢放因開口位置高度不同而有不同抑制效果。. 貳、研究目的 （ 一 ） 台 灣 常 用 的 R.C.建 材 愈 來 愈 不 足 ， 取 而 代 之 的 是 較 輕 的 建 材，又 因 都 市 化 的 關 係 對 高 樓 的 需 求 日 殷，這 許 多 因 素 使 風 力 對 建 築 物 的 影 響 越 來 越 重 要。建 築 物 開 口 是 降 低 風 場 影 響 的 作 法 之 一，本文 即針對開口研究其影響程度。 （二）橫風向渦流溢放是造成模型橫向壓力擾動之主要來源，在 建 築 物 模 型 開 口 會 讓 下 游 流 場 有 噴 流 效 益 產 生，進 一 步 可 以 抑 制 渦流 溢 放 的 流 體 結 構。而 建 築 模 型 皆 為 有 限 高 之 模 型，在 有 限 高 模 型 條件 下，橫 風 向 渦 流 溢 放 會 隨 量 測 高 度 不 同 而 有 所 改 變，所 以 開 口 高 度 影 響渦流溢放之效果。 （三）建築物的通風對室內空氣品質有最直接的影響，建築物通 風 設 計 不 當，容 易 造 成 室 內 空 氣 品 質 不 佳 或 耗 費 空 調 所 需 的 能 源。若 能 有 效 地 利 用 自 然 通 風 維 持 或 改 善 室 內 環 境，具 有 節 能 之 功 效。然而 自 然 通 風 受 許 多 因 素 的 影 響，譬 如 建 築 物 外 的 風 速、風 向、室 內、外 的 溫 度 差 異，建 築 物 的 幾 何 外 型、周 遭 建 物 的 配 置、門 窗 開 口 的 面 積. 2.
(25) 第一章 緒. 論. 大 小、位 置、室 內 隔 間 及 傢 俱 擺 設 等 因 素，本 研 究 利 用 建 築 物 開 口位 置 不 同，探 討 表 面 風 壓 與 開 口 位 置 相 關 性，歸 納 出 開 口 位 置 造 成 壓差 可以增加自然通風量，可以達到節能的效益。 （ 四 ）利 用 西 爾 伯 特 -黃 數 據 分 析 方 式，將 所 得 時 間 序 列 的 數 據 進 行 時 間 頻 率 域 之 轉 換，可 進 一 步 瞭 解 流 場 在 瞬 時 所 發 生 的 情 形，可探 討影響方柱測向力變化之主要流場結構隨時間變化狀態。 參、研究方法 本 研 究 之 工 作 包 括 測 試 風 力 模 型 設 計 與 製 作、紊 流 場 與 均 勻 流 場 風 洞 實 驗 及 數 據 分 析 分 析 方 法 建 立 與 數 據 分 析 等 3 階 段，茲 將 各 階段 內容分述如後： （ 1） 風 力 模 型 製 作 本 研 究 所 選 定 的 模 型 為 有 限 高 度 方 柱 模 型 ， 模 型 高 寬 比 為 6， 開 口 面 積 大 小 為 0.2D*0.2D， 開 口 高 度 位 置 分 別 為 距 離 模 型 底 部 1D、 2D、 3D、 4D 及 5D， 利 用 開 口 位 置 差 異 進 行 模 型 受 風 力 之 量 測 。 （ 2） 風 洞 實 驗 本 研 究 風 洞 實 驗 模 型 總 共 有 5 個 不 同 開 口 高 度 位 置，實 驗 進 行 過 程 將 個 別 開 啟 每 一 個 開 口，其 餘 4 各 開 口 都 將 封 住，並 利 用 六 力 平衡 儀 進 行 模 型 風 力 實 驗 量 測。本 實 驗 模 型 架 設 於 內 政 部 建 築 研 究 所 位於 歸 仁 環 境 風 洞 之 第 一 測 試 區 的 第 一 迴 轉 盤 上，測 試 區 來 流 的 流 場 狀況 分 為 均 勻 流 場 及 紊 流 流 場，參 考 風 速 為 測 試 區 入 口 皮 托 管 所 量 測 之風 速 ， 並 透 過 NI 的 資 料 擷 取 系 統 將 不 同 方 向 的 風 力 數 據 同 步 蒐 集 。 風 洞 實 驗 取 樣 速 率 為 1KHZ， 取 樣 時 間 為 32 秒 ， 三 個 方 向 受 力 及 力 矩 資 3. 料同時取得。 （. ）數據分析. 3.
(26) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 本 研 究 數 據 分 析 方 式 將 風 洞 實 驗 之 時 序 列 電 壓 數 據，利 用 校 正 矩 陣轉換成風力資料，進行平均及擾動風力計算。 研究步驟 1. 風 力 模 型 設 計 及 製 作 ○ 1 文獻資料收集及數據比較。 2 設計風力模型的尺寸比例。 ○. ○ 3 模型剛性強度設計及製作。 2.風 洞 實 驗 及 數 據 分 析 ○ 1 均勻流場下有限高度矩型柱體受風力實驗。 2 紊流場下有限高度矩型柱體受風力實驗。 ○. ○ 3 改變不同風向角下在均勻流與紊流場下模型風力實驗。 4 數據整合及資料分析。 ○. ○ 5 結論與成果報告。. 4.
(27) 第一章 緒. 論. 圖1-1 實驗模型架設座標示意圖（資料來源：本研究整理）. 5.
(28) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 6.
(29) 第二章 文獻回顧. 第二章 文獻回顧 近 年 來 由 於 營 建 技 術 的 進 步，國 內 高 層 建 築 物 大 量 的 出 現。由 於 目 前 超 高 層 建 築 物 特 色 多 採 用 質 輕 堅 韌 的 鋼 骨 結 構，結 構 系 統 阻 尼較 傳 統 混 凝 土 構 造 為 低，且 因 其 高 度 高，因 此 構 造 物 的 柔 性 增 加，建築 物 受 風 作 用 行 為 的 考 量 即 顯 得 更 加 的 重 要。通 常 建 築 物 的 橫 斷 面 多為 非 流 線 形 ， 風 場 中 於 建 築 物 之 下 風 處 常 產 生 渦 散 現 象 (vortex shedding)，對 建 築 物 而 言 則 導 致 了 非 恆 定 之 風 荷 重，復 因 其 結 構 動 力 特 性 而 導 致 振 動 或 位 移 反 應 之 發 生。對 高 層 建 築 物 而 言，由 於 其 相對 勁 度 較 低 ， 在 順 風 (along-wind) 向 、 橫 風 (across-wind) 向 及 扭 轉 (torsional) 向 位 移 反 應 相 對 地 較 大 。 因 此 ， 在 風 力 設 計 觀 點 中 ， 動 態 位 移 成 為 評 估 使 用 者 舒 適 度 (comfort ability)之 重 要 指 標 之 一 。 當 流 體 流 經 一 簡 單 外 型 柱 體 時，會 在 柱 體 下 游 產 生 交 互 作 用 產 生 渦 流 溢 放 流 場 結 構 （ Vortex shedding） ， 在 柱 體 後 方 產 生 一 個 尾 流 區 域 (wake region)， 進 來 年 有 許 多 研 究 藉 由 主 動 性 控 制 或 被 動 性 控 制 改 變 流 場 結 構，藉 以 達 成 減 阻 或 減 振 效 果。主 動 性 控 制 需 要 增 加 額 外能 量，例 如 吸 氣 或 吹 氣 等，而 被 動 控 制 主 要 藉 由 幾 何 外 型 改 變 而 進 行流 場 結 構 的 改 變，並 不 需 要 增 加 額 外 能 量，本 研 究 利 用 模 型 開 口 方 式是 藉由改變柱體流場結構，進一步想要達到減阻或減振效果。 單一有限高度簡單模型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。其 流 場 之 間 不 同 方 向 風 力之 間 相 互 影 響 機 制 也 是 流 體 力 學 研 究 上 相 當 重 要，將 時 間 序 列 的 資 料轉 換 成 時 間 -頻 率 域 資 料 通 常 會 透 過 西 爾 伯 特 -黃 （ HHT） 或 小 波 理 論 轉 換，本 研 究 將 不 同 開 口 刀 度 模 型 風 力 數 據 利 用 西 爾 伯 特 -黃（ HHT）轉 換 及 快 速 傅 力 葉 轉 換 等 方 式 探 討 其 不 同 方 向 風 力 資 料，分 析 歸 納 出不 同開口高度及風向角對流場影響。. 7.
(30) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 第一節 相關研究 自 從 Von Kármán 對 二 維 圓 柱 後 方 渦 流 溢 放 現 象 提 出 解 釋 ， 鈍 形 體 下 游 尾 流 區 流 場 就 是 很 多 研 究 注 意 的 一 個 課 題。流 體 流 經 過 一 個 鈍 形 體 會 在 表 面 形 成 流 體 分 離 的 現 象 ， 形 成 分 離 的 剪 力 層 (separation shear layer)， 而 造 成 渦 流 溢 放 的 現 象 。 渦 流 溢 放 頻 率 與 自 由 流 速 及 特 徵 長 度 關 係 為 一 個 無 因 次 化 常 數 稱 為 Strouhal Number 以 St 表 示 之 。 Schlichting(1979)曾 經 提 到 當 雷 諾 數 在 10 3 ～ 10 4 之 間 ， 圓 柱 的 St 值 約 為 0.21， 而 Okajima(1982)也 提 出 方 柱 類 似 的 結 果 St=0.13， 而 渦 流 溢 放 的 現 象 會 造 成 鈍 形 體 升、阻 力 週 期 性 的 變 化，進 而 造 成 鈍 形 體 的因 渦流溢放而震動。 Bosch & Rodi (1996)在 水 槽 中 以 雷 射 測 速 儀 (LDA)量 測 在 邊 界 效 應 影 響 下，方 柱 體 後 尾 流 的 平 均 速 度 及 渦 度 場 的 分 佈，其 雷 諾 數 為 Re =2.2 ×10 4，邊 界 層 厚 度 d為 0.13D，在 此 D為 方 柱 體 的 高 度，其 結 果 發 現 間 隙 比 S/D < 0.25 時 ， 渦 漩 逸 散 便 會 停 止 ； S/D < 0.5 時 ， 渦 漩 逸 散 受 邊 牆 效 應 而 間 歇 性 出 現，並 無 固 定 之 渦 散 頻 率，且 柱 體 下 方 渦 紊 流 被 拉 長 ， 渦 心 軌 跡 線 偏 離 邊 牆 而 成 傾 斜 ； S/D > 0.5時 ， 渦 漩 逸 散 不 受 邊牆效應而有固定之渦散頻率. 建 築 物 為 一 個 有 限 高 度 的 鈍 形 體，而 一 般 有 關 風 力 規 範 中 所 設 計 計 算 的 模 型 大 多 為 圓 柱 或 方 柱，所 以 有 限 長 度 的 鈍 形 體 流 場 空 氣 動力 特 性 是 很 重 要。當 流 體 通 過 一 個 有 限 高 度 的 鈍 形 體，其 氣 流 的 定 性特 性大概如下描述： 1. 尾 流 (wake)區：當 流 體 流 經 過 鈍 形 體 時，渦 流（ Vortex）會 由 兩 側 分離散逸，會形成尾流區。在該區域內氣流捲曲的型態及渦流逸. 8.
(31) 第二章 文獻回顧. 散 的 狀 況 會 因 建 築 物 的 寬 高 比 (Aspect ratio)及 深 寬（ 矩 形 截 面 ）比 (depth ratio)影 響 ， 對 於 深 寬 比 較 小 的 鈍 形 體 其 尾 流 區 域 中 有 較 強 垂直方向的渦流，對於寬高比較大的鈍形體，其尾流區會形成較 強的側向渦流。 2. 背 風 面 下 衝 氣 流 (down wash)： 在 流 體 越 過 鈍 形 體 上 方 ， 因 為 受 到 在 鈍 形 體 背 後 負 壓 的 影 響，氣 流 會 向 下 流 動，約 在 3-6 個 特 徵 長 度 （ H） 後 觸 及 地 面 （ L R ） 。 3. 上 游 渦 流（ upstream vortex）：當 氣 流 遇 到 鈍 形 體 時 ，除 了 部 分 氣 流會越過頂，有一部份氣流會沿著建築物的迎風面往下產生一個 渦流，形成一個負壓的區域。 4. 頂 部 流 場 分 離 區 域 ： 當 流 體 越 過 鈍 形 體 頂 部 ， 在 迎 風 面 與 頂 部 的 交 接 角 為 一 個 銳 緣 （ sharp edge） ， 流 體 會 產 生 分 流 的 現 象 。 在 高 雷諾數的情況下，流體在鈍形體的頂部產生一個尾流區，使鈍形 體頂部的流場更加紊亂。. 9.
(32) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖2-1 三維鈍形體流場示意圖 （ 資 料 來 源 ： Holmes, 2001； Simiu & Scanlan, 1996）. Lee(1975)及 Cheng 等 人 (1992)曾 對 低 紊 流 強 度 之 均 勻 流 場 中 量 測 方 柱 體 下 游 的 渦 流 溢 放 頻 率 ， 其 實 驗 的 雷 諾 數 約 為 1.76×10 5 至 3.17×10 5 所 得 結 果 St 約 在 0.122～ 0.133，其 阻 力 係 數 Cd 約 在 2～ 2.2。 Sakamoto 與 Arie(1983)曾 經 提 出 圓 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。. 10.
(33) 第二章 文獻回顧. Sitheeq(1997)等 人 將 10cm×10cm×25cm 鈍 形 體 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。 Farivar(1981)等 人 針 對 有 限 高 度 的 圓 柱 流 場 進 行 相 關 實 驗，其 高 寬 比 由 2.78-12.5， 實 驗 雷 諾 數 為 7×104。 所 得 到 結 果 認 為 在 接 近 圓 柱 頂部時，後方流場會受到頂部流場嚴重的影響。 柱體開孔而達到減阻或抑制渦流溢放有應用於橋樑之橋墩上，如 Fransson et al.(2004)利 用 視 流 觀 察 方 式 ， 針 對 圓 柱 開 孔 與 不 開 孔 對 下 游 渦 流 結 構 影 響，由 圖 2-2 可 以 觀 察 於 開 孔 柱 體 後 方 渦 流 結 構 有 明顯不同。. 不開孔. 開孔. 圖2-2 圓柱開孔與不開孔對下游流場影響 （ 資 料 來 源 ： Fransson et al.,2004). 11.
(34) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. Mathelin et al.(2002)指 出 在 有 孔 隙 圓 柱 下 游 會 有 噴 流 的 現 象，會 產 生 較 大 較 大 的 尾 流 區 域 及 較 小 的 溢 放 頻 率 的 效 果，可 以 達到 減振的目的。. 第二節 數據分析 本 研 究 有 限 高 度 矩 型 柱 體 風 力 數 據 利 用 六 力 平 衡 儀 進 行 量 測，並 將 所 得 電 壓 訊 號 轉 換 成 模 型 所 受 的 風 力，並 計 算 的 平 均 與 擾 動 性 之阻 力 /昇 力 係 數 。 各 係 數 定 義 如 下 ： 平 均 阻 力 係 數 CL =. FX 2 1 2 ρU DH. (2-1). 擾 動 阻 力 係 數 CD ' =. FX '2 1 ρU 2 DH 2. (2-2). FY ρU 2 DH. (2-3). FY '2 擾 動 昇 力 係 數 CL ' = 1 2 2 ρU DH. (2-4). 平 均 昇 力 係 數 CL =. 1 2. 本 研 究 除 了 平 均 與 擾 動 風 力 數 據 外 利 用 Huang, N. E. et al.(1998,1999)提 出 之 HHT， 該 數 據 分 析 方 式 具 有 對 非 線 性 與 非 穩 定 性資料的處理能力與較高之適用性，其主要包含兩部分之處理過程： (1) 經 驗 模 態 分 離 ( empirical mode decomposition ,EMD)： 可 將. 12.
(35) 第二章 文獻回顧. 訊 號 分 離 成 數 個 固 有 模 態 ( intrinsic mode decomposition ,IMF)， 而 每 個 IMF 均 具 有 良 好 的 Hilbert transform 之 特 性 ， 並 配 合 頻 率 分 離 準 則，可 對 於 一 般 含 雜 訊 之 資 料 擷 取 出 屬 於 結 構 反 應 之 部 分，使不 屬 於 結 構 頻 率 範 圍 之 高、低 頻 雜 訊 排 除，增 加 識 別 結 果 的 正 確 性。(2) 希 爾 伯 特 轉 換 ( Hilbert transform )： 可 獲 得 希 爾 伯 特 頻 譜 ， 具 有 時 間 軸 與 頻 率 軸 之 振 幅 變 化 資 訊，由 此 建 立 訊 號 之 即 時 頻 率 對 時 間 關 係。 除了透過ＨＨＴ分析外，本研究也採用快速傅力葉轉換數據分析 方 法，將 所 得 到 橫 風 向 風 力 資 料 換 換 成 頻 率 域 資 料，並 將 歸 納 分 析開 孔高度對橫向風力影響機制。. 13.
(36) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 14.
(37) 第三章 研究方法. 第三章 研究方法 第一節 實驗方法. 壹、試驗設施與量測設備 本研究之風洞實驗在本所之位於台南歸仁風洞實驗室進行，該 風 洞 本 體 平 常 垂 直 向 的 封 閉 式 風 洞 系 統 ， 總 長 度 為 77.9m， 最 大 寬 度 為 9.12m，最 大 高 度 為 15.9m。本 風 洞 有 兩 個 測 試 區，第 一 測 試 區 截 面 積 寬 4 米 ， 高 度 為 2.6 米 ， 內 部 有 可 調 式 上 蓋 板 ， 可 依 據 所 需 不同邊界層厚度變化進行調整，最高可以調整至 3 米高。第一測試 區內設置有 3 個迴轉盤，可進行不同風攻角模型之氣動力試驗，其 角 度 旋 轉 最 小 精 度 可 達 0.1 度。本 所 於 98 年 度 協 同 研 究 案 中 也 發 展 了增加風洞第一測試區紊流強度的格柵，位於第一迴轉盤中心位置 之 紊 流 強 度 最 高 可 達 約 10％。第 二 冊 是 區 截 面 積 寬 度 為 6 米，高 洞 為 2.6 米 ， 如 同 第 一 測 試 區 設 置 有 可 調 式 上 蓋 板 ， 可 依 據 所 需 不 同 邊界層厚度變化進行調整，最高可以調整至 3 米高，本試驗區域最 主要可進行橋樑或其他大跨度模型之氣動力試驗，測試區內設置有 一迴轉盤可進行模型風攻角之調整。 本 研 究 之 風 力 模 型 為 一 高 寬 比 6 之 方 柱 模 型 以 10mm 厚 壓 克 力 板 粘 合 製 作，為 增 加 模 型 之 剛 度，於 柱 體 開 孔 位 置 處 都 以 10mm 厚 壓 克. 15.
(38) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 力板加勁版固定，主要目的為模型進行風洞試驗時不會彎曲變形， 進而影響到試驗本身的準確性。模型垂直方式固定於風洞第一測試 區 之 第 一 轉 盤 處 (如 見 圖 3-1)。 模 型 氣 動 力 實 驗 來 流 狀 況 初 步 為 均 勻 流，日 後 將 利 用 98 年 度 本 所 協 同 研 究 所 建 立 之 紊 流 場 進 行 相 關 試 驗，並比較兩個不同流場狀況下其氣動力實驗結果。本研究開孔方 柱 模 型 採 用 厚 度 10mm 壓 克 力 板 製 作 ， 柱 體 寬 度（ D）為 15cm， 柱 體 高 度（ H）為 90cm，模 型 所 開 的 孔 為 3cm(0.2D)×3cm(0.2D)，開 孔 高 度 分 別 為 1D、 2D、 3D、 4D 及 5D。 模 型 底 面 與 六 力 平 衡 儀 連 接 ， 量 測 模 型 在 不 同 入 口 流 速 狀 況 下 所 受 的 X-Y-Z 三 個 方 向 的 風 力 與 力 距 並 利 用 NI 的 資 料 擷 取 系 統 進 行 數 據 時 序 列 資 料 同 步 蒐 集 。. 16.
(39) 第三章 研究方法. 圖 3-1 開 迎 風 面 中 心 不 同 高 度 開 口 方 柱 體 模 型 圖 （資料來源：本研究整理）. 為探討開孔位置於模型迎風面中心或一側所造成影響，本研究 團製作模型開口於模型一側之風力實驗模型，進行相同雷諾數風洞 實驗以比較開口位置差異性。. 17.
(40) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖 3-2 側 壁 不 同 高 度 開 口 方 柱 模 型 圖 （資料來源：本研究整理）. 本研究風洞實驗之參考風速利用風洞第一測試區入口處所架設 90 度 皮 托 管 進 行 量 測 (如 )，利 用 壓 力 管 將 風 速 壓 力 資 料 傳 送 至 儀 控 室 中 ， 並 配 合 薄 膜 式 壓 力 計 (VALIDYNE Differential Pressure Transducer；DP103)將 類 比 資 料 轉 換 成 數 位 資 料，利 用 NI 的 資 料 擷 取 系 統 搭 配 LABVIEW 程 式 進 行 壓 力 資 料 與 風 速 資 料 轉 換 ， 所 測 得 的 入口風速為計算出本研究試驗之雷諾數參考風速，模型受風力數據 利用六力平衡儀進行量測於風洞第一測試區第一迴轉盤進行試驗， 風力實驗所使用之量測儀器介紹如下：. （ 1） 皮 托 管. 18.
(41) 第三章 研究方法. 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 據後式計算出相應之風速。. 2 Δp. U=. ρ air. (3-1). 同時將所得之風速進行無因次化雷諾數的計算，. Re D =. ρUD μ. 圖 3-3 架 設 於 風 洞 第 一 測 試 區 入 口 皮 托 管 （資料來源：本研究整理）. 19.
(42) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. （ 2） 壓 力 轉 換 器 入口風速量測是利用皮拖管經由壓力管將壓力差傳遞至儀控 室 ， 然 後 透 過 薄 膜 式 壓 力 轉 換 器 (pressure transducer， VALIDYNE DP103-18，參 見 圖 3-3)將 壓 力 資 料 以 數 位 形 式 輸 出。量 取 兩 端 壓 力 管輸入之壓差，以類比電壓訊號輸出，在電磁感應線圈造成不同電 感 ， 利 用 電 橋 變 化 出 不 同 電 壓 ， 搭 配 訊 號 放 大 器 CD-23 調 整 電 壓 訊 號 輸 出，將 輸 出 電 壓 設 定 在 -10V～ +10V 之 間。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 3-4 薄 膜 式 壓 力 轉 換 計 （資料來源：本研究整理）. 20.
(43) 第三章 研究方法. 圖 3-5 Validyne 壓 力 計 訊 號 放 大 器 CD-23 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). (3)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 。 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。. 21.
(44) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖 3-6 NI 資 料 擷 取 系 統 （資料來源：本研究整理） (4)六 力 平 衡 儀 本 研 究 所 使 用 的 高 頻 六 力 平 衡 儀 (high frequency six-component force balance)乃 利 用 應 變 規 (strain gage)將 物 體 所受之外力轉換成電壓。實驗時將高層建築模型固定在六分力平衡 儀的感應器上，使整個系統呈現剛硬不易產生變形變位之特性，使 得模型所承受之風力能完整傳遞至感應器。經由應變規受力形變所 產 生 的 變 量 ， 換 算 出 物 體 所 受 到 的 順 風 向 力 (along-wind force； Fx )、 橫 風 向 力 (across-wind force； Fy )、 垂 直 向 力 (vertical force； Fz )、 順 風 向 扭 矩 ( FMx )、 橫 風 向 扭 矩 ( FMy )及 垂 直 向 扭 矩 ( FMz )。. 22.
(45) 第三章 研究方法. 圖 3-7 六 軸 力 平 衡 儀 （資料來源：本研究整理）. 貳、風洞試驗狀況 本研究風力實驗將於所內位於歸仁風洞實驗室進行，測試模型 為 高 寬 比 為 6D 開 口 方 柱 體 ， 開 口 位 置 為 距 離 底 部 1D、 2D、 3D、 4D 及 5D 位 置，實 驗 位 置 在 風 洞 第 一 測 試 區 之 第 一 迴 轉 盤，模 型 下 方 連 接六力平衡儀，將開口位置欲觀察之開口位置打開，其餘 4 個孔兩 端 皆 密 封 住，並 利 用 NI 的 資 料 擷 取 系 統 進 行 數 據 擷 取，本 次 實 驗 規 劃 數 據 擷 取 速 率 為 1024HZ， 擷 取 時 間 為 40 秒 ， 平 均 入 口 風 速 分 別 約 為 7.4m/s 與 12.3m/s。. 23.
(46) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 實驗的流場規劃有均勻流與紊流場兩種，初步實驗在均勻流場 中 將 進 行，並 且 改 變 不 同 雷 諾 數 試 驗，其 目 的 為 瞭 解 雷 諾 數 的 效 應。 紊流場因為有格柵關係，風洞壓力損失較大，相同風扇轉速入口風 速會較低，使用紊流場的原因為比較在均勻流場狀況中相近的雷諾 數條件下，探討流場紊流強度改變對高寬比為 6 方柱開孔模型所受 的風力影響機制。 本研究之風洞實驗主要探討不同開口高度之下，柱體側向擾動 及模型阻力係數變化關係，測試實驗之模型及六力平衡儀會架設於 迴 轉 盤 上 面，訊 號 線 連 接 至 風 洞 外 部，實 驗 過 程 首 先 將 所 有 孔 封 閉， 進行風力吹試，得到一組高寬比為 6 之方柱受力情形，所得數據結 果以作為參考資料。而後依序將不同高度開孔開啟進行風洞試驗， 試驗過程除了所欲觀察位置之孔洞其餘 4 個孔洞皆以膠帶前後兩面 封 住 。 並 將 所 量 測 得 到 時 序 列 資 料 進 一 步 利 用 西 爾 伯 特 -黃 （ HHT） 進行轉換，瞭解因為不同開口高度下模型受風力影響機制。. 第 二 節 西 爾 伯 特 -黃 （ HHT） 數 據 分 析 訊號的描述通常最重要也是最基本的參數為時間與頻率，頻率 域的訊號結果可以反應訊號本身一些特性，但是時間域的訊號具有 較 佳 的 直 觀 性 。 風 洞 實 驗 的 數 據 多 為 非 穩 定 （ non-stationary ） 、 非 線 性（ non-linear ）的 時 間 序 列 資 料。一 般 傳 統 將 時 間 序 列 上 資. 24.
(47) 第三章 研究方法. 料 轉 換 成 頻 率 域 上 資 料 常 用 方 式 有 快 速 富 立 業 轉 換 ， FFT 分 析 適 用 於線性、定常、長時間平均的訊號序列，應用上難免會因數據與理 論條件的不吻合而產生解釋上的差異，且所轉換的頻譜只有顯現出 時間平均的能量分布。 然而想要研究瞬時，希爾伯特轉換雖然可以解出時間序列上的 瞬時頻譜，但仍然無法克服非穩定及非線性的問題含時間平均值不 為 零 的 訊 號 。 由 Huang, N. E. et al.於 1998 年 提 出 之 HHT 具 有 處 理非線性與非穩定性資料的能力。 在數據分析理論上瞬時頻率的物理意義可知，並非任何訊號都能夠 討論瞬時頻率，只有當訊號具有以下兩種形式之一時才可以計算出 瞬時頻率訊號。. S (t ) = a(t ) cos φ (t ). … … … … … … … … … … … … … … … (3-3). S (t ) = a(t )e jφ ( t ) … … … … … … … … … … … … … … … … … (3-4). 而 西 爾 伯 特 -黃 （ HHT） 的 數 據 處 理 方 式 其 主 要 包 含 兩 部 分 之 處 理 過 程 ： (1) 經 驗 模 態 分 離 ( EMD )： 可 將 訊 號 分 離 成 有 限 個 數 固 有 模 態 ( intrinsic mode decomposition )， 而 每 個 IMF 均 具 有 良 好 的 Hilbert transform 之 特 性 ， (2) 希 爾 伯 特 轉 換 ( Hilbert transform )： 將 所 拆 解 之 有 限 個 IMF 透 過 轉 換 可 獲 得 希 爾 伯 特 頻 譜，具有時間軸與頻率軸之振幅變化資訊，由此建立訊號之即時頻. 25.
(48) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 率對時間關係。 HHT 的 轉 換 過 程 透 過 EMD 的 過 程 將 訊 號 轉 換 成 有 限 個 IMF，而 每 個 IMF 的 意 義 為 具 有 單 獨 物 理 意 義 的 訊 號 分 量 ， 其 中 每 一 個 IMF 的 每一點時間都只有單一頻率，進一步可以讓每一個瞬時頻率都具有 物理意義。 經 由 EMD 的 過 程 每 一 個 IMF 必 須 滿 足 兩 個 條 件. 1. 整 個 IMF 訊 號 內 極 值 點 的 數 量 與 通 過 0 點 的 個 數 差 必 須 要 小 於 1 個。. 2. 在 整 段 IMF 訊 號 所 形 成 的 上 下 包 絡 線 平 均 值 必 為 0 。. EMD 在 拆 解 訊 號 的 過 程 是 直 接 與 自 適 應 性（ adptive）整 個 過 程 不需要像小波函數一樣先設基底函數，其基底函數是由訊號本身產 生 ， 不 同 的 訊 號 會 產 生 不 同 的 IMF， 而 每 一 個 IMF 都 包 含 了 真 實 的 物 理 量 。 且 EMD 過 程 有 濾 波 的 功 能 ， 訊 號 經 過 EMD 的 方 式 分 解 出 有 限 個 IMF 訊 號 組 ， 其 訊 號 頻 率 由 低 到 高 。 因 此 其 EMD 方 式 是 類 似 高 通濾波器，其截止頻率與帶寬都隨著不同訊號而改變。 5 模型高度為 6D 之方柱在雷諾數為 1.82×10 情況下，Y 方向風力時序列. 資料如圖 3-7 所示，經由 EMD 過程可以拆解成 25 個 IMF 結果，圖 3-8 為部分 IMF 拆解結果，其頻率分佈由高頻到低頻，將所得到 IMF 的經由快速傅力葉 結果發現 IMF6 分量所佔能量較高，其主要頻率大小約為 15.82HZ，將 IMF6 進行西爾伯特轉換，將時間域資料轉換成時間頻率域結果如圖 3-11 所示。. 26.
(49) 第三章 研究方法. 5. 圖 3-8 高 寬 比 為 6D 於 Re=1.82×10 時 Y 方 向 風 力 資 料 （資料來源：本研究整理）. 27.
(50) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 28.
(51) 第三章 研究方法. 圖 3-9 H=6D 方 柱 模 型 Y 方 向 向 風 力 數 據 之 IMF 結 果 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 29.
(52) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖 3-10 H=6D 方 柱 模 型 IMF 之 快 速 傅 力 葉 結 果 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 30.
(53) 第三章 研究方法. 圖 3-11 H=6D 方 柱 模 型 西 爾 伯 特 轉 換 結 果 （資料來源：本研究整理）. 31.
(54) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 第三節 風洞紊流場風洞試驗 本研究風洞試驗除了在均勻流場狀態下試驗外也將在紊流場下 進 行 試 驗，其 所 用 紊 流 場 為 98 年 度 協 同 研 究 案 中 所 建 立 之 格 柵，圖 3-11 為 其 格 柵 安 裝 示 意 圖，安 裝 後 利 用 熱 線 測 速 儀 搭 配 小 型 移 動 機 構進行紊流強度量測，將熱線測速儀所量得電壓經由校正方程式轉 後 得 到 風 速 資 料 ， 進 行 紊 流 強 度 （ T.I.） 計 算 ： 2. T .I = ( (urms + vrms + wrms ) / 3 ) / U 2. urms = u . 32. '2. vrms = v. 2. '2. wrms = w. '2.
(55) 第三章 研究方法. 圖 3-12 本 所 98 年 度 協 同 研 究 中 所 建 置 紊 流 場 格 柵 示 意 圖 （ 資 料 來 源 ： 本 所 98 年 協 同 研 究 案 ）. 33.
(56) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 圖 3-13 紊 流 場 產 生 格 柵 架 設 於 風 洞 現 況 （資料來源：本研究整理） 在 本 風 洞 第 一 測 試 區 第 一 迴 轉 盤 上 量 測 得 到 紊 流 強 度 約 為 10 ％，其 紊 流 強 度 分 佈 如 圖 3-14 所 示，本 研 究 將 利 用 此 紊 流 場 將 高 寬 比為 6 不同開口位置之模型架設於迴轉盤上進行受風力量測，預計 5 將 使 用 之 雷 諾 數 約 為 10 ， 並 利 用 與 均 勻 流 相 同 資 料 擷 取 設 備 及 取. 樣條件進行風洞試驗。. 34.
(57) 第三章 研究方法. 圖 3-14 格 柵 後 方 2.7 米 處 所 量 測 得 到 紊 流 強 度 分 佈 資 料 (資 料 來 源 ： 本 所 99 年 協 辦 案 期 中 簡 報 資 料 ). 35.
(58) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. 36.
(59) 第四章 風洞實驗結果討論. 第四章 風洞實驗結果討論 第一節 均勻流場下升阻力係數與風向角關係 本研究目前已完有高寬比為 6 方柱開口模型製作，並將模型架設於 風 洞 內 進 行 試 驗 ， 來 流 流 場 況 狀 為 均 勻 流 場 ， 平 均 入 口 流 速 為 12.3 m/s，實驗 進 行 過 程 將 分 別 不 同 高 度 之 開 口 開 啟，其餘 高 度 開 口 以 膠 帶 前 後 貼 住 。 圖 4-1 為 風 向 角 度 0 度 時 結 果 ， 由 圖 上 可 以 發 現 當 開 口 高 度 在 4Ｄ 時 阻 力 係 數 約 為 1.32 最 小 ， 當 開 口 高 度 為 3Ｄ 及 5Ｄ 時 次 之 約 為 1.33，三維 柱 體迎風 面 流場停 滯 點約為 柱 體高度 的 2/3， 開口 位 置 4Ｄ 約 為 方 柱 2/3 位置 ， 流 體 因 為 開 口 減 少 前 後 壓 差 。 圖 4-2 為 不 同 高 度 擾 動 阻 力 係 數 結 果 ， 開 口 位 置 超 過 1Ｄ 後 擾 動 阻 力 係 數 約 為 0.1，於高 度 1Ｄ 時，擾動阻 力 係數低 於 0.05。圖 4-3 為平 均 升力係 數 於 不 同 開 口 高 度 結 果 ， 由 圖 上 可 以 觀 察 出 平 均 升 力 係 數 都 接 近 0。. Flow angle 0 1.345 1.34 1.335 1.33 1.325 1.32 1.315. Cd. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Z/D. 圖4-1 入口風速為 12.4m/s 時不同開口高度平均阻力係數 （資料來源：本研究整理）. 37.
(60) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. Flow angle 0 度 0.15 0.1 cd'. 0.05 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Z/D. 圖4-2 入口風速為 12.4m/s 時不同開口高度擾動阻力係數 （資料來源：本研究整理）. Flow angle 0 -0.015 -0.0155. 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. -0.016 -0.0165. Cl. -0.017 -0.0175 -0.018 Z/D. 圖4-3 入口風速為 12.4m/s 時不同開口高度平均升力係數 （資料來源：本研究整理）. 38.
(61) 第四章 風洞實驗結果討論. 當 模 型 透 過 迴 轉 盤 旋 轉 後，風 向 角 變 為 30 度 時，在 相 同 流 速 下 進 行 相 關 試 驗 。 圖 4-4 為平 均 阻 力 係 數 結 果 ， 發 現 其 平 均 阻 力 係 數 都 略 微下降 ， 而開口 位 置在 4Ｄ 及 5Ｄ 時 平 均 阻 力 係 數 約 為 1.07， 較 風 向 角為 0 度時略低。相較於風向角 0 度時擾動阻力係數也有下降，結果 如 圖 4-5 所示， 在 開口高 度 3Ｄ 時 ， 擾 動 係 數 大 於 0.08， 其 餘 開 口 高 度 皆 低 於 0.08。升 力係數 結 果如圖 4-6 所示，由 結果可 以 發現升 力 略 大 於風 向 角 0 度 時 ， 開 口 高 度 2Ｄ 與 4Ｄ時， 升 力係數 約 為-0.03。. Flow angle 30度 1.08 1.075 1.07. Cd. 1.065 1.06 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Z/D. 圖4-4 風向角 30 度時不同開口高度平均阻力係數 （資料來源：本研究整理）. 39.
(62) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. Flow angle 30度 0.082 0.081 0.08 0.079. Cd'. 0.078 0.077 0.076 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Z/D. 圖4-5 風向角 30 度時不同開口高度擾動阻力係數 （資料來源：本研究整理） Flow angle 30度 0 -0.005 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. -0.01 -0.015 Cl. -0.02 -0.025 -0.03 -0.035 Z/D. 圖4-6 風向角 30 度時不同開口高度平均升力係數 （資料來源：本研究整理）. 40.
(63) 第四章 風洞實驗結果討論. 當 模 型 透 過 迴 轉 盤 旋 轉 後，風 向 角 變 為 60 度 時，在相 同 流 速 下 進 行 相 關 試 驗 。 圖 4-7 為 平 均 阻 力 係 數 結 果 ， 發 現 其 平 均 阻 力 係 數 相 較 於 風 向 角 0 度 時 下 降 ， 而 開 口 位 置 在 4Ｄ 時 平 均 阻 力 係 數 約 為 0.43， 開 口 高 度 5Ｄ 時 則 較 為 增 加 。 相 較 於 風 向 角 0 度 時 擾 動 阻 力 係 數 也 有 下 降 ， 結 果 如 圖 4-8 所 示 ， 在 開 口 高 度 4Ｄ 時 ， 擾 動 係 數 大 於 0.08， 其 餘 開 口 高 度 皆 低 於 0.08。. Flow angle 60 0.4452 0.445 0.4448 0.4446 0.4444 0.4442 0.444 0.4438. Cd. 0.4436 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Z/D. 圖4-7 風向角 60 度時不同開口高度平均阻力係數 （資料來源：本研究整理）. 41.
(64) 不同高度開口位置對高層建築模型 橫向風力及表面風壓之影響. Flow angle 60 0.081 0.08 0.079 0.078. Cd'. 0.077 0.076 0.075 0.074 0. 1. 2. 3. 4. 5. Z/D. 圖4-8 風向角 60 度時不同開口高度擾動阻力係數 （資料來源：本研究整理）. 42. 6.
(65) 第四章 風洞實驗結果討論. 第二節 紊流場下升阻力係數與風向角關係 風洞第一測試區入口架設格柵，使測試區流場成為高紊流強度 流場狀態下，進行方柱模型不同開口高度試驗，實驗雷諾數約為 1.2×10 5，利 用 六 力 平 衡 儀 進 行 受 風 力 實 驗 量 測，圖 4-9 為 平 均 阻 力系數與開口高度關係圖，比較均勻流場狀態下阻力係數的結果 可 以 發 現 ， 紊 流 場 下 阻 力 係 數 較 低 。 開 口 高 度 為 4Ｄ 時 阻 力 係 數 約 為 1.129，為 5 各 不 同 開 口 高 度 中 阻 力 係 數 最 小 的 ， 當 開 口 高 度 小 時 4Ｄ 時 ， 阻 力 係 數 與 開 口 高 度 遞 減 關 係 ， 當 開 口 高 度 為 5 Ｄ 時 ， 則 阻 力 係 數 較 4Ｄ 時 為 高 。 擾 動 阻 力 係 數 如 圖 4-10 所 示 ， 不同開 口 高度擾 動 值約介 於 0.083 至 0.09， 以開 口高度 3Ｄ時擾 動係數 較 低。升 力 係數如 圖 4-11 所 示，平 均 升 力 與 均 勻 流 場 比 較 有略微 增 加，升 力 係數約 為-0.07～ -0.08。. flow angle 0 1.144 1.142 1.14 1.138 1.136. Cd. 1.134 1.132 1.13 1.128 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Z/D. 圖4-9 紊流場下風向角 0 度時不同開口高度平均阻力係數 （資料來源：本研究整理）. 43.
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