風洞實驗館系統整合測試暨風洞性能驗證研究(2)

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(1)風洞實驗館系統整合測試暨風洞性能驗證研究(2). 內政部建築研究所協同研究報告. 70.

(2) 風洞實驗館系統整合測試暨風洞性能驗證研究(2). 研究單位：內政部建築研究所計畫主持人：葉組長祥海共同主持人：周教授榮華研究人員：朱教授佳仁、任教授森柯研究助理：陳朝陽、楊富傑. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國九十三年十二月. 71.

(3) 72.

(4) 摘要. 風洞實驗館風洞性能驗證研究(2). 摘. 要. 關鍵詞：風洞實驗館、性能驗證實驗、建築風洞. 本計畫乃延續內政部建築研究所 92 年計畫「風洞實驗館建置及系統整合測試研究」，在完成風洞基本性能測試後，於 93 年更進一步建立此風洞實驗室之試驗能量。擬由參與本計畫的成員分別主持不同實驗項目於此風洞進行，包括：內邊界層發展之風洞試驗（朱佳仁教授負責執行）及高層建築在平滑流場及邊界層流場之實驗 (由周榮華教授及任森珂教授負責執行)等，並藉由實驗之進行來整合相關的量測儀器設備，以利未來從事實際的風洞模型測試工作。在性能測試實驗項目完成之後，並匯整所有測試相關資料，並作分析討論，來瞭解此風洞之性能與能量。另外，亦提供教育訓練，使內政部鍵築研究所日後相關操作人員能使用此風洞設備。. 1.

(5) 風洞實驗館風洞性能驗證研究(2). 摘要. ABSTRACT Keywords：building aerodynamics wind tunnel laboratory, validation program, training course The construction and calibration of the ABRI Wind Tunnel Laboratory are scheduled to be completed by the spring of 2004. Following the calibration, a series of experiments, referred to as the validation program here, are conducted in the year of 2004, with the goal of validating the wind tunnel capabilities. The validation program is implemented by comparing the experimental results obtained with those known in the literatures. Specifically, the validation program is to perform with the experiments on simulation of atmospheric turbulent boundary layers and aerodynamic features of high-rise buildings. In addition, training courses on operation and maintenance of the ABRI wind tunnel are offered to the staffs of ABRI, to prepare them for the operation of the tunnel facility.. 2.

(6) 目. 錄. 第一章緒論…………………………………………………………..1 1.1 前言………………………………………………..…………1 1.2 研究方法…………………………………………………..…2 1.3 成果內容……………………………………………………...2 第二章內邊界層之風洞試驗………………………………………..3 2.1 大氣邊界層流………………………………………………..3 2.2 邊界層流的模擬……………………………………………..5 2.3 大氣邊界層流的模擬………………………………………..8 2.3.1 實驗配置……………………………………………….8 2.4 量測結果…………………………………………………..…11 2.5 分析結果……………………………………………………..17 2.6 結論…………………………………………………………..18 第三章高雄 85 層大樓建築風洞驗…………………………………19 3.1 建築物概述…………………………………………………..19 3.2 尺寸模型……………………………………………………...19 3.3 模型材料……………………………………………………..20 3.4 表面壓力量測系統…………………………………………..20 3.5 實驗參數…………………………………………………….21. 3.

(7) 3.6 實驗結果與討論………………………………………….21 3.7 高雄 85 層大樓建築風洞試驗教育訓練…………………21 第四章結論…..……………………………………………………24 參考文獻………..………………………………………………..…25. 4.

(8) 圖. 目. 錄. 圖1. 大氣邊界層流之示意圖………………………………………28. 圖2. 阻牆、渦流產生器與粗慥元之配置圖………………………28. 圖3. 錐形渦流產生器之示意圖……………………………………29. 圖4. 風洞中邊界層流發展示意圖…………………………………30. 圖5. 風洞內實驗配置之示意圖…..……………………………......31. 圖6. 粗慥元之示意圖………...…………………………………….32. 圖7. 阻牆之示意圖…………..…………………………………….32. 圖8. 流況 BL1~BL3 之實驗配置示意圖…………………….…....33. 圖9. 流況 BL4 之實驗配置示意圖…………………………….….34. 圖 10. 流況 BL5 之實驗配置示意圖…………………………….….35. 圖 11. 流況 BL6 之實驗配置示意圖…………………………….….36. 圖 12. 流況 BL7 之實驗配置示意圖……………………………….37. 圖 13. 流況 BL8 之實驗配置示意圖……………………………….38. 圖 14. 流況 BL9 之實驗配置示意圖……………………………….39. 圖 15. 流況 BL10 之實驗配置示意圖………………..…………….40. 圖 16. 流況 BL11 之實驗配置示意圖………………..…………….41. 圖 17. 風速量測系統之示意圖……………………………………...42. 圖 18. 流況 BL4 之縱向平均風速垂直剖面圖……………………..42. 5.

(9) 圖 19. 流況 BL9 之縱向平均風速垂直剖面圖…………………….43. 圖 20. 流況 BL11 之縱向平均風速垂直剖面圖…………………...43. 圖 21. 流況 BL4 之縱向平均風速剖面圖以全對數表示..………...44. 圖 22. 流況 BL9 之縱向平均風速剖面圖以全對數表示..………...44. 圖 23. 流況 BL11 之縱向平均風速剖面圖以全對數表示..………..45. 圖 24. 流況 BL4 之紊流強度垂向剖面圖…………………………..45. 圖 25. 流況 BL9 之紊流強度垂向剖面圖…………………………..46. 圖 26. 流況 BL11 之紊流強度垂向剖面圖………………………….46. 圖 27. 流況 BL4 之縱向平均風速側向分佈圖…………………..…47. 圖 28. 流況 BL4 之紊流強度側向分佈圖………………………..…47. 圖 29. 流況 BL9 之縱向平均風速側向分佈圖…………………..…48. 圖 30. 流況 BL9 之紊流強度側向分佈圖………………………..…48. 圖 31. 流況 BL11 之縱向平均風速側向分佈圖……………..…..…49. 圖 32. 流況 BL11 之紊流強度側向分佈圖……………..………..…49. 圖 33. 流況 BL4 之縱向紊流流速頻譜…………………………….50. 圖 34. 流況 BL9 之縱向紊流流速頻譜…………………………….50. 圖 35. 流況 BL11 之縱向紊流流速頻譜………………...…………51. 圖 36. 流況 BL4 之縱向積分長度尺度分佈圖…………………….51. 圖 37. 流況 BL9 之縱向積分長度尺度分佈圖…………………….52. 6.

(10) 圖 38. 流況 BL11 之縱向積分長度尺度分佈圖…………………….52. 圖 39. 高雄 85 層大樓位置圖……………………………..…………53. 圖 40. 高雄 85 層大樓實景圖…………………………….………….53. 圖 41. 高雄 85 層大樓示意圖……………………………….……….54. 圖 42. 高雄 85 層大樓底盤配置圖……………………….………….54. 圖 43. RAD3200 風壓量測系統………………………..…………….55. 圖 44. ZOC33 壓力感測器……………………………..…………….55. 圖 45. 模型表面壓力測點分佈圖…………………….……………...56. 圖 46. 均勻流場下大樓表面之壓力係數分佈圖（0 度、迎風面）. …………………………………………………………………57. 圖 47. 大氣紊流邊界層下大樓表面之壓力係數分佈圖（0 度、迎風面）……………………………………………………………58. 圖 48. 風速在 13.4m/s 時大樓表面之風壓分佈圖…………………..59. 圖 49. 風速在 20.8m/s 時大樓表面之風壓分佈圖…………………..60. 圖 50. 大樓立面之正面轉至 90 度時風壓分佈圖…………………..61. 圖 51. 大樓之風阻係數圖……………………………………………62. 7.

(11) 表. 目. 錄. 表1. 不同地況的邊界層高度與指數………………………………3. 表2. 不同地況之地表粗慥長度及零風面位移……………………4. 表3. 不同比例縮尺與不同地況下之邊界層厚度…………………7. 表4. 錐形渦流產生器之規格……………………………………..9. 表5. 阻牆之規格…………………………………………………..9. 表6. 各流況之實驗條件…………………………………………..10. 表7. 風洞中各流況之流場參數表………………………………..17. 8.

(12) 第一章緒論 1.1 前言內政部建研所於93年5月底在成功大學歸仁校區完成風洞設備驗收，該風洞基本上為一閉迴路系統，具有兩個測試區，測試區截面分別為4m×2.6m及6m×2.6m，最高速度可達30m/s，該風洞之測試區位於建築物內，其餘部分則裸露於室外，整體而言該風洞本體之總長度為 77.9m，最大寬度為9.12m，最大高度則為15.9m。該建築風洞實驗館旨在用於探討建築物(含橋樑)外部風環境及其受風力作用時之各項氣動力現象與反應，預期之研究工作項目包含建築物風環境研究、建築物承受風力之研究、建築物受風力作用之反應及公共設施耐風性能研究等。除建築物風工程研究外，該風洞實驗室更可與國內學術界合作從事流體力學相關研究，由於該風洞之測試區具有較大的截面積與空間，此一特點可以解決在一般小型風洞中實驗量測上所遭遇的空間解析度不足的問題，因此該風洞將可為國內流體力學實驗研究提供一個更好的實驗環境之選擇。整個實驗館籌建過程中所涵蓋的工作項目至少包含：風洞本體及其它組件的設計、發包、監造與組裝監工、風洞實驗館建物的規劃、儀器設備規格研擬及採購等。截至目前為止該風洞實驗館主要硬體包含風洞本體、風扇及變頻器等，均已於 93 年 5 月 26 日完成安裝驗收。本計畫主要目的為延續內政部建研所 92 年計畫「風洞實驗館建置及系統整合測試研究」，在風洞設備完成驗收後，為了更進一步建立風洞館之試驗能量，由參與本計畫成員分別主持不同實驗項目於該風洞進行，包括：內邊界層發展之風洞試驗（朱佳仁教授）及高層建築在平滑流場及邊界層流場之實驗（周榮華教授及任森珂教授）等。 1.

(13) 本計畫配合使用製作完成之內邊界層發展模型及高層建築模型，同時整合相關的量測儀器設備，以進行實際測試及提供風洞實驗室人員適當的教育訓練。. 1.2 研究方法本計畫之研究內容主要為風洞實驗館之性能驗證實驗，本計畫主持人負責整個計畫的綜整管理、進度協調及工作調配等，並定期舉行會議，議決分工事項及討論計畫執行進度（附件一），檢討計畫執行過程所發生的問題並尋求解決方法。. 1.3 成果報告本報告特針對內邊界層發展之風洞試驗（朱佳仁教授）及高層建築在平滑流場及邊界層流場之性能驗證實驗（周榮華教授及任森珂教授），內容包括：研究目的、實驗及模型製作方法、儀器需求及規格及建議事項。. 2.

(14) 第二章內邊界層之風洞試驗 2.1 大氣邊界層流邊界層流中水平方向的平均風速剖面可用指數律或對數律來描述： (1)指數律(Power law profile)之風速剖面： U( z)  z  =  Uo δ. α. 式中U(z)為高度z之平均風速，Uo為邊界層外之風速(在 z ≥ δ 之風速)，又稱為梯度風速(Gradient velocity)，δ 為梯度高度(Gradient height)，α 為冪律指數。邊界層高度與指數視地表的地況而定，地況則可依地表的粗糙程度分為四種不同的地況，表1為不同地況之梯度高度與指數。表 1 不同地況的邊界層高度與指數地況分類. 地況特性. 指數α值. δ (m). I (%). 地況 A. 大城市之市中心區. 0.35. 460. 25 ~ 50. 地況 B. 郊區、小市鎮. 0.25. 400. 20 ~ 30. 地況 C. 開闊之平原. 0.15. 275. 15 ~ 20. 地況 D. 地勢平坦之海岸地區. 0.11. 215. 10 ~ 15. (a) 地況A：大城市之市中心區，大部分(50%以上)的建築物高度皆大於20公尺者，且主建築物四周至少有800公尺或建築物高度10倍的範圍（兩者取較大值）滿足此條件，方屬於地況A。 (a) 地況B：市郊、小市鎮或有許多高度介於10 ~ 20公尺建築物散佈其間的地區，且主建築物四周至少有500公尺或建築物高度10倍的範圍（兩者取較大值）滿足此條件，方屬於地況B。 (b) 地況C：地勢平坦開闊之草原、地面零星散佈的建築物高度皆小於 10公尺的地區，或海岸地區由水面方向吹過來的強風。 3.

(15) (d) 地況D：平坦無障礙物之海岸地區或湖岸地區，微風由水面方向吹過來，方適用此種地況。. (2)對數剖面(Logarithmic profile)之風速剖面： U (z) 1 z − d o = ln u* zo κ. 其中κ (= 0.4 ~ 0.41)為馮卡門常數(von Karman constant)，u*為剪力速度 (Shear velocity 或 Friction velocity) ， zo 為地表的粗糙長度 (Roughness length) ， do 為零風面位移 (Zero plane displacement height)。零風面位移代表接近地表處，風速受地表凸出物局部效應的影響，可能有風速等於零或小於零(逆向流)的現象發生。因此必須將風速起算的高度提高。若地形十分平坦，零風面位移do = 0。. 表 2 不同地況之地表粗糙長度及零風面位移地. 況. 沙地海面雪面草原郊區大城市. 地表粗糙長度 zo (cm). 零風面位移do (cm). 0.01 ~ 0.1. 0. 0.0003 ~ 0.5. 0. 0.1 ~ 0.6. 0. 1 ~ 10. 0. 20 ~ 45. 5 ~ 10. 60 ~ 80. 15 ~ 25. 4.

(16) 摩擦速度 u*與地表阻力有關，而粗糙長度和零風面位移則與地表粗糙度有關。表 2 列舉不同地況的粗糙長度和零風面位移，由表中數值可以看出地表愈粗糙，粗糙長度和零風面位移愈大。. 2.2 邊界層流的模擬在風洞中地表附近的風場往往要求風洞中迫近流場(Approaching flow) 為中性穩定度之邊界層流(Neutral Boundary Layer Flow)，以滿足模型實驗之初始條件的相似性，且迫近流場之邊壁必須滿足完全粗糙(Completely rough)的條件： u *z o ≥ 25 ν. 其中 ν 為空氣的運動黏滯係數。而流況相似又可分為平均風速相似與紊流流況相似，平均風速剖面可用指數律或對數律來模擬，紊流流況相似則要求迫近流場的紊流速度、雷諾應力及紊流頻譜與實際流場相似。 Hunt & Fernholz (1975)指出邊界層流中的大尺度渦流可以影響地表附近之紊流流場，所以除非有特殊模型尺度之考量，否則應盡可能模擬整個大氣邊界層。於風洞內模擬大氣邊界層，原則上是在最短吹程(Fetch)內建立所需的邊界層流，並且要求邊界層流在試驗區內維持在平衡狀態 (Equilibrium state) 。一般而言，於風洞內鋪設粗糙元 (Roughness element)，讓邊界層自然生成，但此法需要十分長的試驗段才能得到厚度夠厚的邊界層。所以，一般的風洞都在試驗段進口處設置一些設施來加速邊界層的發展，這些設施可以分為： (1) 主動設施：譬如方向性射流 (Directional jets) 或逆向射流 (Counter jets)。 (2)被動設施：譬如阻牆(Barrier)、渦流產生器(Vortex generator)、網格 (Grid)等來輔助紊流邊界層之形成。目前較為常用的方法是採用被動設施來產生所需的邊界層流，亦 5.

(17) 即在試驗段進口處設置阻牆 (Barrier) 或三角錐形 (Spire) 之渦流產生器，如圖 2 所示，試驗段地面再設置適當的粗糙元 (Roughness elements)，再加以足夠長度的試驗段，便可發展出一穩定、平衡的邊界層流所具有的平均風速剖面與紊流特性。關於阻流板與粗糙元之組合問題，Peterka and Cermak (1974)指出對某一特定之渦流產生器，風速剖面冪律指數α值所需之粗糙元是固定的。換言之，特定之渦流產生器需要特定之粗糙元來配合，因為其中涉及渦流產生器與粗糙元所分別產生之邊界層平衡與穩定問題。阻牆、渦流產生器及粗糙元的配置可以試誤法反覆調整自到符合該地區之風場特性為止。此外，在邊界層之形成試驗中，風洞試驗段之壓力梯度應保持為零。假定渦流產生器之上風場為均勻流，在渦流產生器下風處所形成之邊界層厚度為 δ ，利用邊界層裡之動量通量虧損及試驗段之壓力梯度與渦流產生器之阻力 ( 包括阻塞效應 ) 及粗糙元之阻力平衡之原理，Irwin (1981)建議下列二個經驗式: 139 . δ 1+ α / 2 b H ψ = (1 + α / 2) h 2δ 1 + ψ. h=. 式中 ψ= β=. β. (1 − β) 2.  2  113 . α +β−  (1 + α)(1 + α / 2)   1 + 2α. α δ 1+ α H. 式中H為風洞試驗段之高度，b為渦流產生器之底寬，h為渦流產生器之高度(如圖3)。渦流產生器之間的距離為h/2。原則上風洞之寬度應為h/2之倍數，但是此點並非十分重要。邊界層之形成在渦流產生器下風約6h處，以確保橫向流場之均勻性。上式包括有渦流產生器及粗糙元之阻力，當0.06 < b/h < 0.2時，渦流產生器之阻力係數約為1.45。風洞底板之粗糙元之單位面積之阻力為 ρU o2 C f / 2 ，Cf為表面摩擦係數， ρ 為空氣密度。Gartshore (1977) 建議: 6.

(18)  α  C f = 0136 .   1+ α. 2. 而粗糙元之高度ks及粗糙元間距d可從Wooding et al. (1973)結果得到 1/ 2   ks d 2    = exp 0.67 ln   − 0.1161 2.05 +   Cf   δ  δ    2 3 上式在 30 < δD / k s < 2000 之範圍內有效。. 若風速剖面採用指數分佈 U ( z ) 1 z − do = ln u* zo κ. 式中κ = 0.4為von Karman常數，zdo ≈ 0.8 k s 為零風面位移。Counihan (1971)之經驗式： zo A  k  .  e  − 0.08 ≅ 8.2  s  + 108  A  L ks. 式中L為風洞之吹程，Ae為粗糙元所佔之地板面積，A為風洞地板之總面積。此式可用於粗糙元決定時，估算模擬邊界層之粗糙長度。一般而言，大氣邊界層較建築物高出許多，為使建築物之模型尺寸在合理範圍內，風洞中之邊界層厚度亦須相當大。且風洞之試驗段需要相當長，以供邊界層發展出夠厚的邊界層。依據 Cermak (1984)之建議：風洞試驗段的長度應介於 10 ~ 20δ，高度應大於 2δ，寬度應在 2 ~ 4 δ，δ為邊界層厚度。譬如都會地區的大氣邊界層厚度約為 450 m，若以 1/400 的比例縮尺製作模型，則風洞中的邊界層厚度為 1.0 m，亦即試驗段的長度起碼要有 10 ~ 20 m，高度必須大於 2.0 m，寬度約為 2.0 ~ 4.0 m。典型的風洞中大氣邊界層的發展如圖 4 所示。表 3 不同比例縮尺與不同地況下之邊界層厚度都會地區市郊地區海岸地區比例縮尺 α = 0.33 α = 0.25 α = 0.14 1/200. 2.3 m. 1.8 m. 1.2 m. 1/300. 1.5 m. 1.2 m. 0.8 m. 1/400. 1.2 m. 0.9 m. 0.6 m. 1/500. 1.0 m. 0.7 m. 0.5 m. 7.

(19) 2.3 大氣邊界層流之模擬位於台南縣歸仁的內政部建築研究所之迴路式風洞有兩個測試區，第一測試區 4.0 m × 2.6 m × 30 m (寬×高×長) ，最大風速為 37 m/s，測試區之上蓋板為可調整之曲面；第二測試區之尺寸為 6 m × 2.6 m × 20 m，最大風速為 20 m/s。而風扇之位置則位於第二測試區之後，邊界層流之模擬實驗在第一測試區中進行。實驗中採用地表粗糙元、阻牆和渦流產生器，如圖 5 所示。. 2.3.1 實驗配置 (1) 地表粗糙元：粗糙元採用長方體狀(10 cm x 6 cm x 4 cm)之金屬塊及直立式木板兩種形狀。長方體狀粗糙元的長、寬、高皆不相同，如圖 6 所示，因此可以有三種不同的擺設方式，產生三種不同的粗糙元高度 (Roughness Height, R.H.)。本研究中長方體狀粗糙元採用直立式擺設，粗糙元高度(R.H.=10 cm)。另一組採用直立式木板，粗糙元高度 (R.H.= 20 cm)。粗糙密度(Roughness Density, R.D.)的定義為粗糙元佔地投影面積與總面積之比值。可由粗糙元之排列間距(Space)來控制，本實驗採用15公分和25公分之間距，改變前後與左右之排列間距，以控制粗糙密度。 8.

(20) (2) 錐形渦流產生器：本實驗共製作四組錐形渦流產生器，每組各有 6 個，皆以木板製作，可適用各種不同的地況要求和縮尺比例，其規格如表 4 所示。渦流產生器放置於風洞試驗段入口處，以試驗段中心線左右對稱排列，間距 70 公分。表 4 錐形渦流產生器之規格* 組別. 高度 h (cm). 寬度 b (cm). 深度 d (cm). 數目. 第1組. 120. 24. 20. 6. 第2組. 160. 30. 30. 6. 第3組. 200. 36. 40. 6. 第4組. 240. 40. 50. 6. *用 1.0 cm 厚度的木板製作 (3) 阻牆：本實驗共製作三組阻牆，高度 H 分別為 20、28 及 35 公分，寬度皆為 396 公分，其形狀如 L 型（見圖 7），其規格如表五所示，可適用各種不同的地況要求和縮尺比例。其中第 2 組阻牆為事先設計製作，日後如有需要可以規劃出不同比例的大氣邊界層厚度。表 5 阻牆之規格* 組別. 高度 H (cm) 寬度 L (cm). 深度 d (cm). 數目. 第1組. 20. 396. 20. 1. 第2組. 28. 396. 28. 1. 第3組. 35. 396. 35. 1. *用 1.0 cm 厚度的木板製作 9.

(21) 為模擬不同地況下之大氣邊界層流，於研究中測試多組粗糙元、阻牆和錐形渦流產生器等構件之不同配置組合，以模擬出代表都會區、郊區和地勢平坦之海岸地區等地況下，不同α值之大氣邊界層流場，做為研究之目標流場，各流況之構件及實驗條件如表6所示，圖8 ~ 16為構件排列之示意圖。. 表 6 各流況之實驗條件流況. 渦流產生器高. 渦流產. 阻牆高度. 度H (cm). 生器數. h (cm). 目. 粗糙元 R.H.. R.D. (%). (cm). BL1. 160. 5. 20. 10. 1.48. BL2. 120. 5. 20. 10. 1.48. BL3. 160. 5. 35. 10. 1.48. BL4. 0. 5. 20. 10. 1.48. BL5. 160. 5. 20. 10. 2.19. BL6. 160. 6. 35. 10. 2.19. BL7. 0. 5. 20. 10. 2.19. BL8. 0. 5. 20. 10. 3.34. BL9. 120. 5. 0. 10. 3.34. BL10. 160. 5. 0. 20 (木. 間距50. 板). cm. 20 (木. 間距40. 板). cm. BL11. 160. 5. 0. 10.

(22) 2.4 量測結果本實驗風洞之風扇轉速為 120 Hz，平均風速約為 11.0 m/s。風速的量測使用二維 X-type 熱絲探針(TSI, model 1243-20)和定溫式熱線流速儀(TSI, IFA300)，可量測縱向（x 方向）和垂向（z 方向）的紊流風速。所用之取樣頻率定為 1000 Hz，取樣時間為 65.536 秒，每一測點共有 65536 筆資料。風速量測系統如圖 17 所示，量測項目包括有： 1. 垂向剖面：在距離試驗段入口 x = 25.5 m (即第一旋轉盤前緣)處，試驗段中心線(y = 0 cm)量測：縱向平均風速之剖面 U(z)、垂向平均風速之垂向剖面 W(z)、縱向紊流流速之垂向剖面 σu (z) 、垂向紊流流速之垂向剖面 σ w (z) 、縱向風速之紊流頻譜。 2. 側向剖面：在距離試驗段入口 x = 25.5 m 處，高度 z = 50 cm 和 100 cm 量測：縱向平均風速之側向剖面 U(y)、縱向紊流流速之側向剖面 σu (y) 、垂向紊流流速之側向剖面 σ w (y) 。研究中分別就流況BL4、BL9、BL11，其紊流特性(包括平均風速垂向剖面、紊流強度剖面、流場側方向的均勻性、紊流頻譜和積分長度尺度)進行探討，其結果分述如下： 11.

(23) (1) 平均風速剖面時間平均(Time average)風速的定義為 U=. 1 t1+T ∫ u( t) dt T t1. 式中u(t)為量測得之風速，t1為開始記錄資料的時間，T為平均時間。一般的資料擷取系統大多設定為等時距取樣，若是以等時距的方式記錄變數，則平均值 U=. 1 N ∑ u i (t1 + i∆t ) N i =1. 式中 ∆t 為取樣時距， T = N ∆t 為取樣時間(Sampling duration)，N 為資料的樣本數(Sampling no.)，f = 1/ ∆t 為取樣頻率(Sampling frequency)，頻率的因次為[1/T]，頻率常以 Hz 表示。圖18、圖19、圖20分別為流況BL4、BL9、BL11在風洞試驗段的中心線(y = 0.0 m)處下游距離x = 25.5 m之平均風速剖面圖。相對的，圖21、圖22、圖23 分別為流況BL4、BL9、BL11的之平均風速剖面以全對數方式表示，若以羃律(Power law)描述風速分佈分佈： U( z )  z =   δ Uδ. α. 可求得在流況BL4中指數α = 0.168，梯度高度δ= 80 cm，顯示此流況適用於海岸地區之流況；在流況BL9中α = 0.230，δ= 120 cm 顯示此流況適用於市郊地區；在流況BL11中α = 0.323，δ= 150 cm 顯 12.

(24) 示此流況適用於都會地區。圖19和圖22為流況BL9在不同風速（平均風速約為7.06 m/s、11.0 m/s、12.53 m/s）下的平均風速剖面圖，求得之指數α和梯度高度δ皆十分接近，表示指數α和梯度高度δ不會隨平均風速而變。. (2) 紊流強度剖面紊流速度的變化程度可以均方根(Root Mean Square, rms)速度表示：. [. ]. 2 1 N ∑ u(t i ) − U N i=1. σu =. 因為速度和均方根速度的因次相同，故亦可用無因次的相對紊流強度 (Turbulence intensity)代表紊流速度變化的劇烈程度： Iu =. σu × 100 % U. 同樣地，垂向(z 方向)的均方根速度和紊流強度為： σw =. [. 1 N ∑ w (t i ) − W N i =1. ]2. Iw =. σw U. × 100 %. 圖24、圖25、圖26分別為流況BL4、BL9、BL11的縱向與垂向紊流強度 w’/Uo 之剖面圖， Uo 為自由流之速度。在近地層之內 (z < 20 cm)，縱向紊流強度u’/Uo、垂向紊流強度w’/Uo 隨著高度z 增加而遞增；而在近地層之外(z > 20 cm)，縱向紊流強度u’/Uo、垂向紊流強度. 13.

(25) w’/Uo隨著高度z增加而遞減。但無論在任河流況中其垂向紊流強度皆小於縱向紊流強度。. (3) 流場側向的均勻性流場的側向均勻性，如圖27至圖32所示。圖27、圖29、圖31分別為流況BL4、BL9、BL11中，在兩個不同高度 z = 0.5 m、1.0 m平均風速之側向分佈圖，此圖顯示此邊界層的平均風速在側方向的變異並不大。第一測試區的寬度為4.0 m，但量測時熱絲探針的連接纜線 (cable)不夠長，僅能量測到距離中心線左右各1.0 m處。圖28、圖30、圖32分別為流況BL4、BL9、BL10中，在兩個不同高度 z = 0.5 m、1.0 m縱向與垂向紊流強度u’/Uo、w’/ Uo 之側向分佈圖，由圖28可以發現在高度 z = 0.5 m處，縱向紊流強度約為13%、垂向紊流強度約為5%；由圖30可以發現在高度 z = 0.5 m處，縱向紊流強度約為13%、垂向紊流強度約為5%；在高度 z = 1.0 m處，縱向紊流強度約為8%、垂向紊流強度約為3%；由圖32可以發現在高度 z = 0.5 m處，縱向紊流強度約為20%、垂向紊流強度約為6%；在高度 z = 1.0 m處，縱向紊流強度約在12%、垂向紊流強度約為5%。但基本上，此邊界層流在側方向的均勻性極佳，故可視為二維邊界層流。. (4) 紊流頻譜 14.

(26) 利用傅立葉轉換(Fourier transform)可將流速由時間域轉換至頻率域： Χ (f ) = ∫. ∞ −∞. u ( t ) e − i 2πf t dt. 式中 t 為時間，f 為頻率。若流速 u ( t ) 為不對稱函數，則 Χ (f ) 具有實部和虛部 X(f ) = X R (f ) + iX i (f ). 頻譜密度函數(Spectral density function)定義為： S 2u (f ) =. [. 2 2 X R (f ) + X i2 (f ) T. ]. 頻譜密度函數可顯示紊流流速在不同頻率上的變化情形，若紊流流速在某頻率上變化幅度愈劇烈，則其對應頻譜函數之值會愈大。若紊流流場中並無任何週期性的渦流，則流速的頻譜可以視為許多不同頻率的脈衝函數組合而成，並無單一頻率特別突出。將頻譜密度函數不同頻率上的分佈積分可得流速之標準差： ∞. σ 2u = ∫ S u (f ) df 0. 亦即流速頻譜顯示紊流流速之標準差在不同頻率上的分佈。圖 33、圖 34、圖 35 分別為流況 BL4、BL9、BL11，在三個不同高度 z = 0.2 m、0.5 m、1.0 m 之縱向紊流流速頻譜 Su，橫軸為頻率 f，單位為 Hz。柯莫葛洛夫(Kolmogorov)於 1941 年利用因次分析推導得紊流流速頻譜有一段慣性次階(Inertial subrange)：. 15.

(27) S u ( k ) = C1ε 2 / 3 k 1−5 / 3. 式中 ε 為紊流動能消散率(Turbulent energy dissipation rate)，k1為波數 (Wave number)，C1為正比常數。柯莫葛洛夫所預測的-5/3斜率亦繪於圖中，由圖中可發現量測得之紊流流速頻譜滿足柯莫葛洛夫所預測的斜率。. (5) 積分長度尺度紊流積分長度尺度(Integral length scale)為流場中渦漩的平均大小，可視為紊流之特徵長度。紊流積分長度尺度定義為積分時間尺度乘上平均風速 L u = U ⋅ TL. 式中 TL 為積分時間尺度(Integral time scale)： TL =. ∫. ∞. 0. R (t )dt. 將紊流流速的自相關函數 R(Auto-correlation function)積分便可得到積分時間尺度。積分時間尺度代表紊流流速的特徵時間。圖36、圖37、圖38分別為流況BL4、BL9、BL11之縱向積分長度尺度之分佈圖，其分佈情形類似紊流強度。而在近地層之外(z > 20 cm)，積分長度尺度隨著高度z增加而遞減；近地層之內(z < 20 cm)，積分長度尺度隨著高度z增加而遞增。此結果符合Counihan (1975)：積分長度尺度隨著粗糙長度增加而遞減。 16.

(28) 2.5. 分析結果將邊界層流之平均風速剖面以半對數方式表示 U ( z) 1 z − d o = ln κ u* zo. 在風洞中零風面位移 do = 0，馮卡門常數採用 κ = 0.4 ，便可計算剪力速度u* 及粗糙長度zo。表7列出各流況所計算出的流場參數，其中地表阻力係數(Drag coefficient)的定義為： 2. u C D = ∗2 U0 實驗結果顯示粗糙密度愈大，地表阻力係數愈大。. 表 7 風洞中各流況之流場參數表流況. 邊界層厚度剪力速度粗糙長度平均風速指數 α 值 u＊ (m/s) zo (cm) δ (cm) U0 (m/s). 地表阻力係數 CD. BL1. 10.60. 0.177. 160. 0.68. 0.328. 4.07*10-3. BL2. 10.89. 0.168. 120. 0.69. 0.222. 4.02*10-3. BL3. 11.03. 0.159. 150. 0.66. 0.183. 3.60*10-3. BL4. 10.71. 0.168. 80. 0.82. 0.399. 5.81*10-3. BL5. 9.77. 0.193. 130. 0.67. 0.400. 4.73*10-3. BL6. 10.17. 0.188. 120. 0.64. 0.260. 3.92*10-3. BL7. 10.81. 0.208. 100. 0.88. 0.695. 6.69*10-3. BL8. 11.02. 0.210. 110. 0.88. 0.716. 6.44*10-3. BL9. 11.00. 0.230. 120. 0.91. 0.964. 6.81*10-3. BL10. 11.15. 0.306. 150. 0.93. 2.143. 6.96*10-3. BL11. 11.57. 0.323. 150. 0.97. 2.254. 6.96*10-3. 17.

(29) 2.6 結論本研究針對中性穩定度之大氣邊界層流場進行模擬，綜合本研究結果可得以下結論： 1. 研究中所模擬不同地表特徵之大氣紊流邊界層流之實驗結果，可得指數α= 0.15 左右到 0.32 左右，相當於地勢平坦的海岸地區到大城市的市中心區之大氣紊流邊界層流，故可提供日後風洞實驗所需之模擬流場。 2. 各紊流構件對紊流邊界層特性之影響，由於各研究應用之裝置在設計及特性上的差異，故其結果也有所不同，本部分歸納之結論可作為基本模擬測試時紊流構件設計配置之依據。. 但一般實際大氣之紊流結構甚為複雜，故將來風洞模擬可擴展到非中性穩定度，屬密度成層效應之紊流邊界層流場，以擴大風洞實驗之研究範圍。. 18.

(30) 第三章高雄 85 層大樓建築風洞試驗 3.1 建築物概述高雄 85 層大樓位於高雄市苓雅區，在三多路以南，自強路以西，新光路以北的區塊內，位置如圖 39 所示。建築物地面 85 層，高約 350 公尺。整棟建築物大致分為上下兩部分，下部從底層到第四十層，其平面為長方形，南北長約 145 公尺，東西長約 53 公尺。上部從第四十一層到頂層，平面為正方形，東西向長及南北向長均為 50 公尺，如圖 40 所示。整棟建築物的各向立面如圖 41。在下部的 13 層到 34 層之間有一東西方向的中間開口，建築師設置此中間開口的原意是要符合容積率的要求，後來發現對於抗風方面也有很好的效果。. 3.2 模型尺寸模型圖如圖 40（b）所示，模型比例採用 1/400。則模型正面寬約 36 公分，最高約 90 公分。最大投影面積約 2130 平方公分（未扣除開口面積），置於 2.4m ×. 6m 斷面之試驗段內，阻塞比約 1.5%。地. 面轉盤直徑 3.5 公尺如圖 42，可模擬大氣邊界層 1.4 公里直徑範圍內的建築物與本大樓之交互影響。. 19.

(31) 3.3 模型材料大樓本體以壓克力材料製作，表面埋設動態感應測點 256 點。底盤以 6 塊四尺乘八尺的六分木心板製成，木心板相互之間之接頭以木工角邊挖槽機施作筍接，作成底板後置於轉盤之上。. 3.4 表面壓力量測系統本研究利用模型表面的壓力孔及 RAD 3200 壓力感測模組量測 85 層大樓的表面風壓分佈。大樓表面之壓力孔與 RAD 間以塑膠管連接之。本研究所用之 RAD 3200 風壓量測系統是由一個基本單元體 RADBASE 3200(圖 43)和 4 個 RAD A/D 3200 模組及一個 RDS 3200 所組成，每個 RAD A/D 3200 連接一個含 64 個壓力感測器之 ZOC33 模組，一個典型的 ZOC33 模組如圖 44 所示。為了避免塑膠管連接過長影響訊號的準確性，故將 ZOC33 模組置於大樓的模型之中，本研究總共用了四個 ZOC33 模組，均置於大樓的模型之中。壓力孔之分佈如圖 45 所示，分佈在模型之前後左右及頂面上，總共有 256 個表面壓力之量測點。壓力擷取頻率主要為 100Hz。所量取之風壓資訊以電腦儲存處理後，以流場動壓無因次化，藉以了解建築物表面的風壓分佈及變化，提供帷幕牆及風載重設計之參考。. 20.

(32) 3.5 實驗參數實驗參數包含流況、流速及風向角等三項。流況分均勻流及模擬都市風場之指數率為 0.32 之大氣紊流邊界層兩種情形。風速分 5.9m/s 、13.4m/s 及 20.8m/s 等三個。風向角則由 0 度至 180 度每 10 度量測一次風壓分佈，即總共 19 個角度。風壓分佈以風壓除以流場自由流之動壓所得之風壓係數表示之。自由流動壓所需之流速由皮托管量得。. 3.6 實驗結果與討論 a、流況對風壓之影響圖 46 與圖 47 分別為均勻流與大氣紊流邊界層兩種流況之風壓係數分佈圖(風向角 0 度、迎風面)，兩者之流速均為 20.8m/s。由兩者之比較，可知均勻流條件下之風壓係數較大，高樓的迎風面滯流點之位置約大樓 1/2 高度之位置，開口附近之壓力較低。相對的，在大氣紊流邊界層的條件下，表面風壓係數較均勻流者低，滯流點之位置在接近高樓頂端之處，這皆是因為大氣紊流邊界層之速度變化，是由地表之 0m/s 逐漸增至邊界層頂端之 20.8m/s 之故。此外，在近壁面，有一明顯之低壓區，顯示騎樓風在有大氣邊界層時，影響較大。另外，開口會使高樓在開口附近產生局部性之低壓，因此有降低高樓整體風阻之效應，與預期之結果吻合。. 21.

(33) b、大氣紊流邊界層下之風壓分佈圖 48 至圖 49 分別為風速 13.4m/s 及 20.8m/s 時迎風面與背風面之風壓分佈圖，此二圖之風向角皆為 0 度。由圖所顯示之結果可知，無論是 13.4m/s 或 20.8m/s 之風速，迎風面之風壓係數均為正，相對的，背風面之風壓係數均為負，與預期之結果相吻合。而且，風速大者，其迎風面之風壓係數亦較大、背風面之風壓係數負愈大，亦與預期之趨勢一致。 c、風向角之影響圖 50 為大樓立面之正面轉至 90 度時(即風向角 90 度)之表面風壓係數分佈圖，圖 50(a)與(b)分別是 13.4m/s 與 20.8m/s 之結果。就壓力分佈之趨勢而言，壓力均呈負壓且風速之影響不大，壓力分佈之特徵，主要來自大樓幾何形狀之變化，大樓上部(四十一層以上)之大樓的截面積為下部之 32.5%，致使其壓力較小之故。 d、風阻係數之比較圖 51 為風向角 0 度時，大樓之風阻係數。風阻是由大樓立面之迎風面的平均風壓減去背風面之平均風壓求得。圖之水平軸表示測試風速，縱軸則為風阻係數。由圖可見均勻風場之風阻大於紊流邊界層者，主要是在均勻風場時，大樓所受上游之風速普遍較大之故。若以大樓立面下部之寬度為特徵長度，則 25 度攝氏之空氣流場之雷諾數. 22.

(34) 5. 5. 5. 為 1.36x10 (5.9m/s)、3.09x10 (13.4m/s)及 4.8x10 (20.8m/s)。將均勻風場之風阻係數與二維方柱(下部之深寬比約 0.37、上部之深寬 5. 比為 1)之風阻(雷諾數 10 )相比較，二位方柱之風阻係數約為 2.2，比試驗所量測之值 1.5 者大，顯示了大樓三維及開口之效應。. 3.7 高雄 85 層大樓建築風洞試驗教育訓練本計畫亦協助完成協助內政部建研所培訓風洞操作與維護所需人力，以落實培訓風洞操作與維護所需人力的目的。高雄 85 層大樓建築風洞試驗於 93 年 12 月 23 日進行相關教育訓練，內容包含有多孔式壓力掃描閥介紹、數據分析軟體介紹、高雄 85 大樓建築風洞試驗實驗結果及實際示範多孔式壓力掃描閥操作（如圖 52）。. 23.

(35) 第四章結論本研究為了檢驗所建造之風洞確實能進行高樓建築的風洞試驗，乃進行包含製作大氣紊流邊界層及一棟 85 層大樓兩部分之風洞試驗，綜合前述之研究結果，歸納主要之結論如下： 1、就製造大氣邊界層而言，研究中所模擬不同地表特徵之大氣紊流邊界層流之實驗結果，經與理論式及大氣實測資料比較得知，本風洞對於風速剖面指數α= 0.15 左右到 0.32 左右，相當於地勢平坦的海岸地區到大城市的市中心區之大氣紊流邊界層流模擬，結果大致符合，可提供日後風洞實驗相似條件之流場模擬作為參考。 2、就高樓風洞測試而言，本試驗以高雄 85 層大樓為模擬對象，根據所得到的結果與國外實驗室的結果趨勢相近，目前受限於儀器量測壓力孔數，故只能得到粗略結果，由目前所得結果看出本風洞有做高層建築風洞試驗能力，待日後增加相關設備可以提升風洞試驗的相關能力。. 24.

(36) 參考文獻蕭江碧、苗君易，內政部建築研究所研究計畫期末報告，「風洞實驗館實驗設施建置及系統設計之研究」，民國 90 年。苗君易、朱佳仁，內政部建築研究所研究計畫期末報告，「風洞實驗館實驗設備監造及營運規劃之研究，子計畫一：實驗設備監造及分項設備整合研究」，民國 91 年。周榮華、鄭啟明，內政部建築研究所研究計畫期末報告，「風洞實驗館實驗設備監造及營運規劃之研究，子計畫二：基本性能實驗項目及營運規劃研究」，民國 91 年。 Cermak, J.E. (1981) “Wind tunnel design for physical modeling of atmospheric boundary layers”. J. of Engineering Mechanics Division, ASCE, 107, No. GM3, June, pp. 623-642. Counihan, J. (1969) “An improved methods of simulating an atmospheric boundary layer in a wind tunnel”, Atmospheric Environment, 3, pp.197-214. Counihan, J. (1971) “Wind tunnel determination of the roughness length as a function of the fetch and the roughness density of three-dimensional roughness elements”, Atmospheric Environment, 5, pp. 637-642. Counihan, J. (1973) “Simulation of an adiabatic urban boundary layer in a wind tunnel”, Atmospheric Environment, 7, pp. 673-689. Counihan, J. (1975) “Adiabatic atmospheric boundary layers: a review and analysis of data from the period 1880-1972.” Atmospheric Environment, 9, pp. 871-905. Davenport, A.G. (1965) “The relationship of wind structure to wind loading”, Proceedings of the Symposium on Wind Effects on Buildings and Structures, Vol. 1, National Physical Laboratory, Teddington, U.K., Her Majesty's Stationary Office, London, pp. 53-102. Davenport, A.G. and Isyumov, N. (1967) “The application of the boundary layer wind tunnel to the prediction of wind loading”, Proceedings of International Research Seminar, Wind Effects on Buildings and Structures, 25.

(37) pp. 210-230. Gartshore, I.S. and De Cross, K.A. (1977) “Roughness element geometry required for wind tunnel simulations of the atmospheric wind”, Transactions of the ASME, J. of Fluid Engineering, September, pp. 480-485. Hunt, J.C.R. and Fernholz, H. (1975) “Wind-tunnel simiulation of the atmospheric boundary layer: a report on Euromech 50”, J. Fluid Mech. 70, pt. 3, pp. 543-559. Irwin, H.P. (1981) “The design of spires for wind simulation”, J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7, pp. 361-366. Kaimal, J.C. and Finnigan, J.J. (1994) Atmospheric Boundary Layer: Their Structure and Measurement, Oxford University Press Panofsky, H.A. and Dutton, J.A. (1984) Atmospheric Turbulence: Models and Methods for Engineering Applications, Johns Wiley Press. Peterka, J.A. and Cermak, J.E. (1974) Simulation of atmospheric flows in short wind tunnel test sections. Report for Center for Building Technology, NBC, June, CER73-74JAP-JEC32, Fluid Dynamics and Diffusion Laboratory, Colorado State University, Fort Collins, Colorado. Rae, W.H. and Pope, A. (1982) Low-Speed Wind Tunnel Testing, Johns Wiley Press Schlichting, H. (1979) Boundary-Layer Theory, McGraw-Hill, New York Simiu, E. and Scanlan, R.H. (1996) Wind Effects on Structures, Johns Wiley Press. Snyder, W.H. (1979) The EPA Meteorological Wind Tunnel - Its design, construction and operating characteristics. EPA-600/4-79-051. Environmental Science Research Laboratory, Research Triangle Park, North Carolina. Snyder, W.H. (1972) “Similarity criteria for the application of fluid models to the study of air pollution meteorology”, Boundary Layer Meteorology, 3, pp. 113-134 Sorbjan, Z. (1989) Structural of the Atmospheric Boundary Layer, Prentice Hall Inc. Wooding, R.A., Bradley, E.F. and Marshall, J.K. (1973) “Drag due to regular arrays of roughness elements of varying geometry” Boundary Layer Meteorology, 5, pp. 285-308.. 26.

(38) 附. 圖. 27.

(39) 600 (m). 市區. 平原. 市郊. 400. 200. 0 圖 1 大氣邊界層流之示意圖. 渦流產生器粗糙元. 阻牆. 圖 2 渦流產生器與粗糙元之配置圖. 28.

(40) h. b. d. d. 風. h 渦流分離板. b d 圖 3 錐形(Spire)渦流產生器之示意圖. 29.

(41) 測試之建築物. 渦流產生器. δ. 阻牆. 轉盤. 粗糙元. 圖 4 風洞中邊界層流發展示意圖. 30.

(42) 風. 收縮段阻牆. y. x. 粗糙元. 轉盤. 圖 5 風洞內實驗配置之示意圖. 31. 渦流產生器.

(43) 4 cm 10 cm. 6 cm. 圖 6 粗糙元之示意圖. H. d. L = 396 cm. 圖 7 阻牆之示意圖. 32.

(44) 風收縮段. 400 cm. 60 cm 70 cm 70 cm 阻牆. 100 cm. 渦流產生器 25 cm. 25 cm 25 cm. 25 cm. 1650 cm. 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖8 流況BL1~BL3之實驗配置示意圖. 33.

(45) 風收縮段. 400 cm 阻牆 100 cm 25 cm. 25 cm 25 cm. 25 cm. 1650 cm. 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖9 流況BL4之實驗配置示意圖. 34.

(46) 風收縮段. 400 cm. 60 cm 70 cm 70 cm 阻牆. 100 cm. 渦流產生器 25 cm. 15 cm 15 cm. 25 cm. 1650 cm. 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖10 流況BL5之實驗配置示意圖. 35.

(47) 風. 收縮段. 500 cm 50 cm. 50 cm. 50 cm 阻牆. 渦流產生器 25 cm. 15 cm 15 cm. 25 cm. 1650 cm. 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖11 流況BL6之實驗配置示意圖. 36.

(48) 風. 收縮段. 60 cm 500 cm. 70 cm 70 cm 阻牆. 渦流產生器 25 cm. 15 cm 15 cm. 25 cm. 1650 cm 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖12 流況BL7之實驗配置示意圖. 37.

(49) 風. 收縮段. 500 cm 阻牆. 15 cm. 15 cm 15 cm. 15 cm. 1650 cm 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖13 流況BL8之實驗配置示意圖. 38.

(50) 風收縮段. 500 cm. 60 cm 70 cm 70 cm 渦流產生器. 15 cm. 15 cm 15 cm. 15 cm. 1650 cm. 粗糙元. 400 cm. 轉盤. 圖14 流況BL9之實驗配置示意圖. 39.

(51) 風. 收縮段. 500 cm. 60 cm 70 cm 70 cm 渦流產生器. 50 cm 50 cm 1650 cm 木板. 400 cm. 轉盤. 圖15 流況BL10之實驗配置示意圖. 40.

(52) 風. 收縮段. 500 cm. 60 cm 70 cm 70 cm. 渦流產生器 40 cm 40 cm 1650 cm. 木板. 400 cm. 轉盤. 圖16 流況BL11之實驗配置示意圖. 41.

(53) 資料擷取系統. 熱線流速儀. 風扇. 電腦. 探針. 風洞. 圖 17 風速量測系統之示意圖 200. 160. Z (cm). 120. 80. 40. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. U (m/s). 圖 18 流況BL4之縱向平均風速垂向剖面圖. 42. 14.

(54) 200. U = 7.06 m/s U = 11.00 m/s U = 12.53 m/s. 160. Z (cm). 120. 80. 40. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. U (m/s). 圖 19. 流況 BL9 之縱向平均風速垂向剖面圖. 200. 160. Z (cm). 120. 80. 40. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. U (m/s). 圖20 流況BL11之縱向平均風速垂向剖面圖. 43. 14.

(55) 1000. Z (cm). 100. 10. 1 1. 10. 100. U (m/s). 圖 21. 流況 BL4 之縱向平均風速剖面圖以全對數表示 1000. U = 7.06 m/s U = 11.00 m/s U = 12.53 m/s. Z (cm). 100. 10. 1 1. 10. 100. U (m/s). 圖 22. 流況BL9之縱向平均風速剖面圖以全對數表示. 44.

(56) 1000. Z (cm). 100. 10. 1 1. 10. 100. U (m/s). 圖 23 流況BL11之縱向平均風速剖面圖以全對數表示 200. u'/U w'/U. 160. Z (cm). 120. 80. 40. 0 0. 5. 10. 15. 20. u'/U w'/U (%). 圖24 流況BL4之紊流強度垂向剖面圖. 45. 25.

(57) 200. U = 12.53 m/s , u'/U U = 11.00 m/s , u'/U U = 7.06 m/s , u'/U U = 12.53 m/s , w'/U U = 11.00 m/s , w'/U U = 7.06 m/s , w'/U. 160. Z (cm). 120. 80. 40. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. u'/U w'/U (%). 圖 25. 流況BL9之紊流強度垂向剖面圖. 200. u'/U w'/U 160. Z (cm). 120. 80. 40. 0 0. 5. 10. 15. 20. u'/U w'/U (%). 圖26 流況BL11之紊流強度垂向剖面圖. 46. 25.

(58) 12. U (m/s). 8. 4. 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. 150. Y (cm). 圖27 流況BL4之縱向平均風速(在高度Z = 50 cm處)側向分佈圖. 20. Z = 50 cm , u'/U Z = 50 cm , w'/U. u'/U w'/U (%). 15. 10. 5. 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. 150. Y (cm). 圖 28 流況 BL4 之紊流強度(在高度 Z = 50 cm 處)側向分佈圖. 47.

(59) 16. Z = 50 cm Z = 100 cm. U (m/s). 12. 8. 4. 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. 150. Y (cm). 圖29 流況BL9之縱向平均風速側方向分佈圖. 30. Z = 50 cm , u'/U Z = 100 cm , u'/U Z = 50 cm , w'/U Z = 100 cm , w'/U. u'/U w'/U (%). 24. 18. 12. 6. 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. Y (cm). 圖30 流況BL9之紊流強度側向分佈圖. 48. 150.

(60) 14. Z = 50 cm Z = 100 cm. 12. U (m/s). 10. 8. 6. 4. 2. 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. 150. Y (cm). 圖 31 流況BL11之縱向平均風速側向分佈圖. 30. Z = 50 cm , u'/U Z = 100 cm , u'/U Z = 50 cm , w'/U Z = 100 cm , w'/U. u'/U w'/U (%). 24. 18. 12. 6. 0 -150. -100. -50. 0. 50. 100. 150. Y (cm). 圖32 流況BL11之紊流強度側向分佈圖. 49.

(61) 1000. 100. -5/3. Su (m^2/s). 10. 1. 0.1. Z = 20 cm Z = 50 cm Z = 100 cm. 0.01. 0.001. 0.0001 0.1. 1. 10. 100. 1000. f (Hz). 圖33 流況BL4之縱向紊流流速頻譜 10. 1. -5/3. Su (m^2/s). 0.1. 0.01. Z = 20 cm Z = 50 cm Z = 100 cm. 0.001. 0.0001. 1E-005. 1E-006 0.1. 1. 10. 100. 1000. f (Hz). 圖 34 流況 BL9 之縱向紊流流速頻譜. 50.

(62) 10. 1. -5/3. 0.01. 0.001. Z = 20 cm Z = 50 cm Z = 100 cm. 0.0001. 1E-005. 1E-006 0.1. 1. 10. 100. 1000. f (Hz). 圖35 流況BL11之縱向紊流流速頻譜. 180. 160. 140. 120. Z (cm). Su (m^2/s). 0.1. 100. 80. 60. 40. 20. 0 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. Lu (m). 圖36 流況BL4之縱向積分長度尺度分佈圖. 51.

(63) 180. 160. 140. Z (cm). 120. 100. 80. 60. 40. 20. 0 0. 0.5. 1. 1.5. Lu (m). 圖37 流況BL9之縱向積分長度尺度分佈圖 180. 160. 140. Z (cm). 120. 100. 80. 60. 40. 20. 0 0. 0.5. 1. Lu (m). 圖38 流況BL11之縱向積分長度尺度分佈圖. 52.

(64) 圖 39 高雄 85 大樓位置圖. (a)實際建築. (b)風洞中之模型圖 40 高雄 85 大樓實景圖. 53.

(65) 圖 41 高雄 85 大樓示意圖(單位 m). 圖 42 高雄 85 大樓模型底盤配置圖(單位 mm). 54.

(66) 圖 43 RAD3200 風壓量測系統. 圖 44 ZOC33 壓力感測器. 55.

(67) (a)迎風面及其左側面之風壓測點. (b) 迎風面之右側面及其背風面之風壓測點圖 45 模型表面壓力測點分佈圖 56.

(68) (a)等壓力線圖. (b)3D 壓力分佈圖圖 46 均勻流場下大樓表面之壓力係數分佈圖(0 度、迎風面). 57.

(69) (a)等壓力線圖. (b)3D 壓力分佈圖圖 47 大氣紊流邊界層下大樓表面壓力係數分佈圖(0 度、迎風面). 58.

(70) (a)迎風面. (b)背風面. 圖 48 風速 13.4m/s 時大樓表面之風壓分佈圖. 59.

(71) (a)迎風面. (b)背風面. 圖 49 風速 20.8m/s 時大樓表面之風壓分佈圖. 60.

(72) (a) 風速 13.4m/s. (b) 風速 20.8m/s. 圖 50 大樓立面之正面轉至 90 度時之風壓分佈圖. 61.

(73) Drag coefficient 1.6 1.4. Drag coefficient. 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. Wind speed (m/s). 圖 51 大樓之風阻係數圖(菱形：均勻流；方形：大氣紊流邊界層). 圖 52 高雄 85 層大樓教育訓練實況. 62.

(74) 附件. 63.

(75) 附件一內政部建築研究所建築風洞實驗館籌建小組 93 年度第一次會議記錄地點：建研所性能實驗群風洞館時間：93 年 4 月 23 日 14:00 ~ 17:30 主持人：苗召集人君易出席者：陳組長瑞玲、曹研究源暉、張副研究恭銘、周教授榮華、鄭教授啟明、朱教授佳仁、任教授森珂、陳技士子良、胡博士志忠、李信宏、高義明主旨：一、開始進風洞實驗的時間(必須先完成移動機構拆除) 二、各位委員風洞驗證實驗進場時間協調三、教育訓練規劃四、儀器設備使用及使用空間五、模型製作相關事宜六、其他事項報告：（略）討論事項：記錄：李信宏一、開始進風洞實驗的時間(必須先完成移動機構拆除)： 1. 預計 6 月 10 日完成風洞驗收，之後各位老師即可進場實驗。 2. 苗教授提出，由於測試區內三維移動機構及兩側軌道的影響，會造成流場的擾動量很大，建議應將兩測試區內的移動機構切除。 3. 鄭老師及朱老師認為 Z 軸移動機構的影響會比兩側大。 4. 周老師與陳子良先生覺得應當先測量一次流場，了解影響有多大。 5. 陳組長建議先做流場量測後，確認是否有切除的必要。主席結論：6 月 10 日完成驗收後，先做測試區流場測試，確實了解移動機構對流場的影響有多大。二、各位委員風洞驗證實驗進場時間協調： 1. 苗教授首先請各老師提出進場時間，並指出基本風洞校驗的時間可以配合各位老師進行調整。 2. 鄭老師分為兩段時期做實驗，第一階段預計為 6 月 28 日到 7 月 2 日，第二階段時間則為 8 月 2 日到 8 月 6 日。 3. 朱老師的進場時間選擇在 7 月 12 日到 7 月 20 日。 4. 而周老師與任老師時間， 8 月 9 日到 9 月 10 日為期一個月。契約容量供電問題：主席結論：由於建研所有夏月契約容量的問題(上限 300KW)，因此正式做風洞實驗時應先與其他實驗室或實驗館協調時間，最好提前協調。也可改為晚上做實驗，便沒有用電衝突的問題。有關協調使用時間由建研所相關承辦人員負責進行協調。苗教授建議提高今年夏月契約容量 64.

(76) 500KW 的電源較為洽當。三、教育訓練規劃(每一驗證實驗做完後提供一項教育訓練並撰寫一份技術報告)： 1. 苗教授首先說明教育訓練是必要的，要讓建研所的同仁了解各項實驗如何操作，希望各老師能夠安排。 2. 陳組長則認為建研所是扮演一管理者的角色，因此讓建研所的人了解各項實驗以及風洞如何使用是必要的，而教育訓練理想上以一天為原則，早上理論解說下午進行實作。 3. 技術報告即為結案報告，結案報告使用 Wind Engineering 的格式，請鄭啟明老師提供格式。四、儀器設備使用及使用空間： 1. 儀器的使用應該填寫建研所所提供的格式。 2. 電腦及印表機只要有家具即擺上去，不須再填寫借條。 3. 至於桌子、椅子….等家具問題，陳組長允諾不是問題，只要提報馬上可解決。五、模型製作相關事宜：由各老師自行準備模型製作，經費方面於 93 年度皆有編列每位委員模型製作的費用，單據統一由成大核銷。六、其他事項： 1. 住的方面：建研所建議：各老師的學生可以住在防火實驗室的宿舍，住宿費每天 250 元報銷。 2. 差旅費方面：基本上只能報一名研究助理，如果其他助理建請建研所另案處理。 3. 變頻器開關問題：應該加裝一電動開關在變頻器上，避免上游開關因過度使用而壞掉，另外加裝開關的費用由儀器設備購案的節餘款優先支用。. 65.

(77) 附件二「風洞實驗館系統整合測試暨風洞性能驗證研究（2）」期中審查會議結果答詢期中會議建議事項. 籌建小組答覆說明. 方教授富民：風洞試驗之測試對象宜以基準性問題為當初本風洞設計目的為對象，以確立流場、試驗程序與量測儀建築風洞，本計畫針對本器之正確與準確程度。採用高雄 85 大樓風洞是否適用於當初設為標的確具指標性，但較缺乏大量之比計目的，故選高雄 85 大樓為測試模型。對數據，恐有失焦之虞。陳教授若華： 1. 建議對流場的探測結果表現可用百分 1.感謝委員寶貴的意見。比方式表現，以利觀測其相對的誤差性。 2. 風洞實驗用的儀器甚為複雜，各項儀器 2.會安排相關教育訓練。設備操作之注意事項建議做成說明。 3. 建議對未來發展可能需要之設備，依驗 3.會安排相關教育訓練。證之操作過程做成建議。. 蕭教授葆羲： 1. 各項測試足以顯示風洞具有進行該等 1. 感謝委員肯定。試驗項目之功能。 2. 進行前述各項測試為何不使用實驗室 2.高雄 85 大樓進行測試實驗已有使用相關儀器。所採購之新儀器？周技師子劍（中華民國土木技師公會全國 1.建請相關單位研議。聯合會代表）：實驗操作人員培訓是否考慮合理的薪資、福利結構以免人員流動率高而造成實驗結果不穩定。. 66.

(78) 盧教授博堅（中華民國風工程學會代表）： 1. 感謝委員肯定。 1. 邊界層垂直平均分佈曲線很合理。 2.受限於相關儀器設備。 2. 側向平均分佈應延伸至壁面。 3.紊流強度的分佈曲線近地面變異性很大。. 67. 3.近地面受邊界層影響較大。.

(79) 附件三「風洞實驗館系統整合測試暨風洞性能驗證研究（2）」期末審查會議結果答詢期末會議建議事項. 籌建小組答覆說明. 方教授富民： 1. 請增加進行大氣邊界層模擬與高樓表 1.受限於目前儀器設備結果尚有改善空間。面風壓試驗時遭遇之困難與建議。 2. 第二章中表 1(第 3 頁)、表 2(第 4 頁) 2.新版風力規範分為三宜增列資料來源；前者亦建議採用新版級，已於後面實驗採用。本風力規範之分類方式。 3. 第二章中圖 29(第 48 頁)顯示 BL9(市郊 3.目前量測受限相關儀器地區)平均風速之側向分佈有約 20%之設備，及風洞相關基本性能尚未完全瞭解，日後尚差異(z = 50 cm)，是否有再精進之空可改善。間？ 4. 報告第三章中僅呈現大樓迎風面之表 4.將數據資料處理後會增列。面風壓分佈，難以一窺其全貌。建議針對部份典型風向角之情況，增列側面與背風面之表面風壓分佈圖。 5. 第三章中所示之成果無量化資料之驗 5.已於會議上作說明。證為一缺憾，是否有可能針對此點再予補充。陳教授振華： 1.本計劃之風洞性能測試包括建立多種邊界層流況，以及高層建築之實驗性能，皆顯示本風洞之測試實驗能力已達國際水準。 2.建議建立各種流況之適用性說明、表圖，以供後續研究人員之參考。. 68. 1.感謝委員寶貴的意見。.

(80) 3.各種量測儀器之性能，校正資料製作， 3.會安排相關教育訓練。以供人員培訓及研究之參考。 4.高層建築所須壓力量測頻道僅 256 個， 4.建請相關單位增購無法與其他風洞設備搭配，應須有計劃地增加壓力測量頻道。林教授文賢： 1.表 1.不同地況的邊界高度與指數之數 1.相關數據是參考其他國值是否能更詳細一點？以符合台灣地家制訂標準。形、地貌之所需。 2.請修正表 5.阻牆之規格(第 2 組沒作的 2.該組阻牆是方便日後其他不同邊界層準備。部份)，以便與表 6 對應。 3.試體之編號請說明其代表之意義。. 3.已於會議中說明。 4.風速剖面指數 α=0.15 左右到 0.32 左 4.可於日後實驗需要時可列入考慮。右，在日本其指數 α 大到 0.40，可否列入參考。 5.是否具體提出人員培訓策略，以符合日 5.已進行相關人員教育訓練。後所需。陳教授太農： 1.已完成內邊界層之認定與本風洞之基 1. 感謝委員肯定。本資料建構。 2.有國外相關測試報告可 2.以 85F 之 TDC 大樓之 256 點之測試結作比對。果是否可與原有(TDC 大樓或任教援原有資料)之對比，以尋求其可用性或誤差來源。 3.用電之困擾，是否可採申請臨時用電之 3.建請相關單位辦理。方式，以維持試驗之運作。 4.實驗人員之培訓包括系統之操作與保 4.會安排實驗教育訓練。養及基本資料之建置，尚欠陳述或說明。 69.

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