內
政
部
建
築
研
究
所
委
託
研
究
報
告
年
度
103
大型建築物自然通風之分析研究
內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告
中華民國 103 年 12 月
大型建築物自然通風之分析研究
受 委 託 者 ：社團法人中華民國風工程學會
研究主持人：方富民
研 究 員：黎益肇
研 究 助 理：林庚楊 杜祥寧
內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告
中華民國 103 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)
目次
目次………..………I
表次………III
圖次………..………V
摘要………...………IX
第一章 緒論………..……….………1
第一節 研究緣起與背景………...………1
第二節 研究方法………...……..…………4
第三節 研究流程與執行進度…...……..…………7
第二章 文獻回顧……….……11
第三章 風洞試驗………..……15
第一節 實驗設備與配置……….…..…15
第二節 模型試驗結果………23
第四章 數值模擬方法與模式驗證………...……33
第一節 FLUENT 套裝軟體說明………33
第二節
數值預測結果之比對與模式驗證……54
第三節
流場檢視與分析………65
第四節 室內通風分析與評估………..…80
第五章 研究成果與檢討………..……….…97
第一節 研究成果……….………97
第二節
問題檢討與對策………....………..99
第六章 結論與建議………..………101
第一節 結論………101
第二節 建議………103
附錄一 期中會議意見回覆………105
附錄二 期末會議意見回覆………109
附錄三 專家諮詢會議意見回覆………115
表次
表 4-1 單層矩形廠房模型進/出風口平均壓差係數比較表 64
表 4-2 雙層矩形廠房模型進/出風口平均壓差係數比較表 64
表 4-3 圓頂室內集會場館模型進/出風口平均壓差係數比較表 64
表 4-4 單層矩形廠房模型個案流量換氣率比較表…….…..65
表 4-5 雙層矩形廠房模型個案換流量氣率比較表….….….76
表 4-6 單層廠房(無窗)室內外無溫差通風效率指標比較表 84
表 4-7 單層廠房(無窗)室內外有溫差通風效率指標比較表 85
表 4-8 單層廠房(有窗)室內外有溫差通風效率指標比較表 88
表 4-9 雙層廠房室內外無溫差通風效率指標比較表…..…..90
表 4-10 雙層廠房室內外有溫差通風效率指標比較表……..92
表 4-11 圓頂集會場館室內外無溫差通風效率指標比較表..94
表 4-12 圓頂集會場館室內外有溫差通風效率指標比較表..95
圖次
圖 1-1 圓頂室內集會場館說明圖….……… 4
圖 1-2
雙層大型矩形廠房說明圖..……….………… 5
圖 1-3
研究步驟流程圖……….………. 7
圖 1-4
研究甘特圖 .……….………. 9
圖 3-1 風洞系統簡圖………..………. 16
圖 3-2 圓頂室內集會場館模型試驗設置圖……..…...…16
圖 3-3 雙層矩形廠房模型試驗設置圖……….………... 17
圖 3-4 試驗圓形轉盤……….………... 17
圖 3-5 圓頂室內集會場館模型壓力管設置圖….……... 17
圖 3-6 雙層矩形廠房模型壓力管設置圖…………....…... 18
圖 3-7 圓頂室內集會場館模型出風口壓力管設置圖... 18
圖 3-8 矩形廠房模型進風口壓力管設置圖………….…. 18
圖 3-9 皮托管風速計……….…..…...…. 19
圖 3-10 薄膜式壓力轉換器……….…..…...……. 19
圖 3-11 電子式壓力掃描模組……….….…...…...…... 20
圖 3-12 壓力訊號處理系統……....………...…….……... 21
圖 3-13 皮托管風速計………....…………....…...
..
21
圖 3-14 資料擷取系統……..………...…... 22
圖 3-15 單層矩形廠房模型尺寸圖……..…...…... 23
圖 3-16 雙層矩形廠房模型尺寸圖………...…... 24
圖 3-17 圓頂室內集會場館建築模型尺寸圖………... 25
圖 3-18 單層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=0)…… 26
圖 3-19 單層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=45)….. 26
圖 3-20 單層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=-45)…. 27
圖 3-21 雙層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=0)…… 27
圖 3-22 雙層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=45)….. 28
圖 3-23 雙層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=-45)…. 28
圖 3-24 圓頂室內集會場館頂面內風壓係數等值圖(=0) ....
29
圖 3-25 圓頂室內集會場館頂面內風壓係數等值圖(=15).. 30
圖 3-26 圓頂室內集會場館頂面內風壓係數等值圖(=30)..
31
圖 4-1 FLUENT 基本程序結構示意圖
……...…... 35
圖 4-2 GAMBIT 操作視窗……....………... 40
圖 4-3 FLUENT 求解器六核心運算設定…...…... 41
圖 4-4 FLUENT 求解器精度設定…………..…... 41
圖 4-5 FLUENT 求解器讀入網格資料……...…... 42
圖 4-6 FLUENT 求解設定視窗…...…... 42
圖 4-7 FLUENT 紊流模型參數設定視窗…..…... 43
圖 4-8 FLUENT 來流邊界值 UDF 設定視窗………..…... 44
圖 4-9 FLUENT 邊界值設定視窗…………...…... 44
圖 4-10 FLUENT 來流邊界值設定視窗.…...…... 45
圖 4-11 FLUENT 流體性質設定視窗……...…... 45
圖 4-12 FLUENT 計算初始值設定視窗….…...…... 46
圖 4-13 FLUENT 計算殘值設定視窗……...…... 47
圖 4-14 FLUENT 計算監控視窗………..………...….... 47
圖 4-15 FLUENT 迭代計算設定視窗………...….... 48
圖 4-16 FLUENT 輸出資料設定視窗………...….... 48
圖 4-17 FLUENT UDS 方程設定視窗…………....….... 49
圖 4-18 FLUENT 濃度擴散係數設定視窗………...….... 50
圖 4-19 FLUENT UDS 邊界條件設定視窗………...….... 50
圖 4-20 FLUENT UDS 初始值設定視窗………....…... 51
圖 4-21 FLUENT 能量方程設定視窗………....….... 51
圖 4-22 FLUENT 操作條件設定視窗………....….... 52
圖 4-23 FLUENT Thermal 邊界條件設定視窗…...….... 53
圖 4-24 FLUENT Thermal 初始值設定視窗………... 53
圖 4-25 單層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=0) 55
圖 4-26 單層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=45) 56
圖 4-27 單層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=-45) 57
圖 4-28 雙層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=0) 58
圖 4-29 雙層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=45) 59
圖 4-30 雙層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=-45) 60
圖 4-31 圓頂集會場館頂面平均內風壓係數比較圖(=0) 61
圖 4-32 圓頂集會場館頂面平均內風壓係數比較圖(=15) 62
圖 4-33 圓頂集會場館頂面平均內風壓係數比較圖(=30) 63
圖 4-34 單層矩形廠房進風口半高處水平面速度向量與
無因次水平速度等值圖(=0) ……….…. 66
圖 4-35 單層矩形廠房進風口半高處水平面速度向量與
無因次水平速度等值圖(=45)
………... ..67
圖 4-36 單層矩形廠房進風口半高處水平面速度向量與
無因次水平速度等值圖(=-45) ……….. .68
圖 4-37 雙層矩形廠房進風口半高處水平面速度向量與
無因次水平速度等值圖(=0)
……….. 70
圖 4-38 雙層矩形廠房進風口半高處水平面速度向量與
無因次水平速度等值圖(=45) ……….. ..72
圖 4-39 雙層矩形廠房進風口半高處水平面速度向量與
無因次水平速度等值圖(=-45) ……….. .74
圖 4-40 圓頂集會場館水平面速度向量與無因次水平速度
等值圖(=0) ………...……….. .77
圖 4-41 圓頂集會場館水平面速度向量與無因次水平速度
等值圖(=15) ……….……….. .78
圖 4-42 圓頂集會場館水平面速度向量與無因次水平速度
等值圖(=30) ……….……….. .79
圖 4-43 典型平均濃度隨時間衰減示意圖……….…81
圖 4-44 典型平均溫度隨時間衰減示意圖……….…81
圖 4-45 單層廠房(無窗)室內外無溫差數值模擬個案配置圖 83
圖 4-46 單層廠房(無窗)室內外有溫差數值模擬個案配置圖 85
圖 4-47 個案 1A01(無窗)配置圖………..…...….... 86
圖 4-48 單層廠房(有窗)室內外無溫差數值模擬個案配置圖 87
圖 4-49 雙層廠房一樓室內外無溫差數值模擬個案配置圖 89
圖 4-50 雙層廠房二樓室內外無溫差數值模擬個案配置圖 89
圖 4-51 雙層廠房室內外有溫差數值模擬個案配置圖….…91
圖 4-52 圓頂集會場館數值模擬個案配置圖………93
摘 要
關鍵詞: 自然通風、數值模擬、風洞試驗 一、研究緣起 建築物內氣流環境與空氣品質之好壞常取決於室內之通風效果。台灣地 處亞熱帶氣候區，全年有近半年的時間可以藉由自然通風的方式進行室內外 空氣交換，以達到調節室內空氣溫度與品質之目的。 目前國內的大型建築物普遍地使用空調設備來調節室內空氣環境與空 氣品質，但是大量的使用機械通風常造成能源過度的耗費。對巨蛋型會館而 言，在非集會使用之閒置期，可以無須使用機械空調設備以達節能之目的。 另一方面，在大型工業廠房之規劃與設計上，也必須要有通風節能之考量。 因此，為確保建築物內人員之舒適性與健康性，同時兼顧能源耗用之節省， 自然通風的妥善規劃與執行實屬重要。 二、研究方法及過程 本計畫以圓頂室內集會場館與矩形廠房兩種典型之大型建築物為對 象，針對建築物開口位置與大小對室內自然通風功效之影響進行探討，並分 析因建築物內外部間之壓力與溫度差異對室內氣流造成影響之程度與機制， 以獲得量化之整合結果，並提供相關建築通風配置規劃與設計之重要參考。 研究中之量化評估除了紊流流場外亦包括溫度場之分析，以涵蓋大型建 築物中風壓通風與浮力通風兩種效應之檢討。由於以試驗的方法除了需用大 量之人力與時間外尚不易全然掌握室內氣流之細部變化，為利於系統化探討 與評估的進行，乃以計算流體動力學方法的應用為主。然為確立數值模擬結 果正確性，另須以風洞模型試驗進行個案風場變數量測，以作為驗證之依據。 三、重要發現 本計畫預計之重要發現計有如後四項： 1、室內主要流束路徑之長短對通風效率優劣深具影響。一般趨勢顯示，主要 流束路徑愈短，流量換氣率(ACHR)愈高，濃度衰減率(ACHC)愈低。2、對單層矩形廠房而言，增加進、出風口面積能提昇流量換氣率，且增加進 風口面積時較增加出風口面積更具功效。 3、在雙層矩形廠房情況中，二樓窗戶之開口面積愈大，愈有利於流量換氣率 之提昇，但流量換氣率與二樓窗戶開口位置之相關性並不高。此外，二樓 窗戶開口面積增加時亦對濃度衰減率有正面的貢獻。 4、在圓頂室內集會場館情況，當窗戶開啟面積愈大，濃度衰減率愈高。此外， 因室內外溫度差距引致之浮力效應可助長室內濃度與溫度混合之效果。 四、主要建議事項 建議一： 辦理本研究成果之推廣說明會：立即可行建議 主辦單位：內政部建築研究所 協辦單位：社團法人中華民國風工程學會、中華民國全國建築師公會、中華民國 土木技師公會全國聯合會、中華民國結構工程技師公會全國聯合會 為使本計畫之研究成果能立即為大型建築物自然通風規劃與設計之應 用，可以辦理本研究成果之推廣說明會。 建議二： 增加應用數值模擬分析風工程相關研究課題：中長期建議 主辦單位：內政部建築研究所 協辦單位：社團法人中華民國風工程學會 除了以風洞模型試驗進行建築通風之研究外，在計算機軟/硬體大幅進步 的現今，應用計算流體動力學之方法進行同樣的探討已臻成熟可行之際，本 研究之執行即為一個實例。目前國際知名的大型風洞試驗室多配置有 CFD 實 驗室或研究團隊，除在實驗上提供服務能量外，亦能配合數值計算以建立數 值風洞的機制，在分析上達到相輔相成之功效。建議未來建研所風洞試驗室 應作 CFD 實驗室或研究團隊建制之規劃並持續支持 CFD 之風工程相關研 究，以更提昇其服務能力與層次。
ABSTRACT
Keywords: Natural ventilation; Numerical simulation; Wind tunnel test
I. Research Topic
Analytical Study of Natural Ventilation for Large-scale Buildings
II. Introduction
The air-stream environment and air quality in a building is highly dependent on the operation of indoors ventilation. As Taiwan is located in the subtropical zone, the method of natural ventilation can be adopted up to about six months annually to maintain the temperature and quality of indoors air at a certain level.
At present, mechanical ventilation systems are commonly used for local large-scale buildings and usually consume a great deal of electricity. For a typical dome, it is not necessary to use mechanical ventilation during the period without events. For a large factory, on the other hand, the consideration of ventilation is required at the stage of building design so as to reduce the energy cost. Therefore, to assure the human serviceability and health and to economize the electricity consumption, good planning and execution of natural ventilation is important.
III. Research method and procedure
The project proposes to take two typical large-scale buildings, dome and factory, as the cases of study. By changing the sizes and locations of the exterior and interior openings, the mechanisms of the indoor flow, driven by the pressure and temperature differences, are analyzed to provide additional insight into the planning and design of indoors ventilation for such large-scale buildings.
Besides turbulent flows, the work of study also includes the analysis of temperature fields so as to investigate the situations of both pressure ventilation and buoyancy ventilation. As the execution of experiments cannot provide sufficient information to monitor extensive detail of the indoors air stream, a computational-fluid-dynamics method is used as the major tool for the problem
analysis. To verify the validity of the numerical results, wind tunnel model experiments are performed to obtain necessary measurement data as the basis for result comparisons.
IV. Important Findings
Three important findings are stated as follows:
1. The path lengths of the major indoors air streams dominate the efficiency of natural ventilation. The tendency shows that a shorter stream path leads to a larger value of air change rate (ACHR) and a smaller value of concentration
decay rate (ACHC).
2. In the case of 1-story rectangular factory buildings, increases of the areas of inlet and outlet openings result in an increase of the air change rate (ACHR), in
which the effect of the former is more significant than that of the latter.
3. For 2-story rectangular factory buildings, a larger opening area of windows can
promote the air change rate (ACHR). However, the arrangement of the
second-floor windows has little effect on the change of ACHR.
4. For the dome buildings, as the area of the window openings increases, the concentration decay rate (ACHC) and temperature decay rate (ACHT) also
increase. In addition, buoyancy effect can promote indoors concentration and temperature mixing, resulting in increases of ACHC and ACHT.
V. Major suggestions
The major suggestions are
to arrange a workshop to demonstrate the achievements from the present study, and
to promote the support and funding to wind engineering projects in the field of computational fluid dynamics.
第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
一 、 緣 起 隨 著 工 業 的 快 速 發 展，人 們 對 於 不 可 再 生 能 源 的 過 度 耗 用，使 得 地 球 的 資 源 有 造 成 枯 竭 之 虞。此 外，由 於 自 然 環 境 之 破 壞，近 年 來 全 球 性 的 氣 候 變 遷 也 成 為 人 類 面 臨 的 嚴 峻 考 驗，而 節 能 減 碳 的 議 題 已 受 到 國 際 間 的 重 視 。 於 1992 年聯合國氣候變化綱要公約的通過與 1997 年 京 都 議 定 書 之 達 成，使 得 溫 室 氣 體 減 排 被 公 認 為 了 已 開 發 國 家 的 義 務 。 目 前 本 國 也 積 極 推 動 節 約 能 源 政 策 ， 訂 定 多 種 建 築 物 之 節 能 規 範 ， 於 建 築 技 術 規 則 中 也 增 加 了 建 築 節 能 設 計 的 相 關 法 規 。 相 關 研 究 顯 示，現 代 人 每 天 約 有 九 成 的 時 間 處 於 室 內，而 室 內 環 境 品 質 的 良 好 與 否 深 切 地 影 響 了 人 們 的 日 常 生 活 甚 至 長 期 的 健 康 問 題。1982 年世界衛生組織(WHO)認定人於建築物中因不明原因導致人 體 產 生 頭 暈 、 頭 痛 、 疲 倦 、 精 神 無 法 集 中 或 黏 膜 刺 激 症 狀 如 眼 、 鼻 、 喉 感 到 刺 激 及 不 舒 服 等，且 隨 著 待 在 建 築 物 內 時 間 的 增 加，不 適 的 情 形 越 加 嚴 重。反 之，若 於 離 開 建 築 物 後，身 體 之 不 適 則 有 減 輕 甚 而 消 失 之 跡 象 。 行 政 院 於 94 年通過「室內空氣品質管理推動方案」，並 於 97 年通過「室內空氣品質管理法」，顯見於國內一般或公共建築 物 的 室 內 環 境 管 理 中，尤 其 是 在 室 內 空 氣 品 質 的 改 善 部 分 上 已 頗 受 重 視 。 就 建 築 節 能 的 角 度 而 論，建 築 物 的 室 內 通 風 是 一 個 值 得 探 究 的 節 能 減 碳 議 題。建 築 物 內 氣 流 環 境 與 空 氣 品 質 之 好 壞 常 取 決 於 室 內 之 通 風 效 果，若 通 風 設 計 不 適 當，容 易 導 致 室 內 空 氣 品 質 不 佳。然 而，台 灣 許 多 建 築 物 之 室 內 空 間 常 仰 賴 空 調 設 施 進 行 通 風，但 大 量 地 使 用 空調 通 風 系 統 同 時 造 成 了 能 源 的 耗 費。因 此，為 了 要 減 少 機 械 空 調 通 風 系 統 之 運 轉，如 何 藉 由 大 氣 環 境 中 自 然 通 風 的 機 制 以 有 效 地 節 約 能 源 實 屬 重 要 。 二 、 背 景 室 內 通 風 可 分 為 自 然 通 風 及 機 械 通 風 兩 種 方 式：前 者 係 以 自 然 的 方 法 達 到 室 內 外 空 氣 交 換 目 的 之 過 程，為 一 環 保 節 能 的 方 法，但 易 受 自 然 環 境 因 素 之 影 響；後 者 亦 稱 為 強 制 通 風，為 利 用 通 風 機 械 所 產 生 之 動 力 促 使 室 內 外 空 氣 的 交 換 與 流 動，其 優 點 為 較 易 控 制，但 常 造 成 能 源 的 顯 著 消 耗。統 計 資 料 顯 示，空 調 系 統 於 建 築 物 的 日 常 耗 能 中 占 了 將 近 五 成。倘 能 以 自 然 通 風 作 充 分 的 輔 助 以 減 少 空 調 的 使 用，在 節 能 方 面 應 頗 具 成 效 。 台 灣 地 處 亞 熱 帶 氣 候 區，四 面 環 海，風 向 主 要 受 季 節、海 陸 風 或 地 形 風 的 影 響，全 年 有 近 半 年 的 時 間 可 以 藉 由 自 然 通 風 調 節 室 內 空 氣 之 溫 度 與 品 質。基 於 節 能 的 考 量，於 建 築 設 計 之 初 應 考 量 如 何 適 當 利 用 自 然 通 風，才 能 避 免 能 源 的 過 度 耗 費。而 就 室 內 空 氣 流 動 之 機 制 而 言，自 然 通 風 可 概 分 為 風 壓 通 風 及 浮 力 通 風。其 中，前 者 源 於 自 然 風 力 之 作 用，因 建 築 內 部 與 外 部 形 成 的 風 壓 差 異 致 使 空 氣 流 動 並 促 成 通 風 之 效 果；後 者 係 因 室 內 空 氣 溫 度 之 空 間 變 化，因 浮 力 效 應 導 致 空 氣 對 流 而 產 生 之 通 風 效 應 。 目 前 國 內 之 大 型 建 築 物 普 遍 地 使 用 機 械 空 調 設 備 來 調 節 室 內 空 氣 環 境 與 空 氣 品 質。但 是 大 量 的 使 用 空 調 設 備 並 不 環 保，也 造 成 能 源 的 耗 費。以 國 內 典 型 之 巨 蛋 型 會 館 為 例，全 年 中 無 集 會、活 動 舉 辦 之 閒 置 天 數 常 占 不 小 的 比 例。若 能 於 這 段 時 間 以 自 然 通 風 維 護 保 持 室 內 基 本 空 氣 品 質，便 能 達 節 能 之 目 的。另 一 方 面，在 大 型 工 業 廠 房 通 風 之 規 劃 與 設 計 上，若 能 以 自 然 通 風 方 式 輔 助 維 持，除 了 可 以 改 善 室 內 之 空 氣 品 質 外，也 能 符 合 通 風 節 能 之 考 量。因 此，為 確 保 建 築 物 內 人
員 之 舒 適 性 與 健 康 性，同 時 兼 顧 能 源 耗 用 之 節 省，自 然 通 風 的 妥 善 規 劃 與 執 行 確 實 是 一 個 重 要 的 課 題 。 三 、 計 畫 目 的 本 研 究 中 針 對 之 大 型 建 築 物 意 指 建 築 物 規 模 大 且 自 然 通 風 具 顯 著 節 能 效 益 者，計 畫 中 擬 以 圓 頂 室 內 集 會 場 館 與 矩 形 廠 房 兩 類 典 型 之 大 型 建 築 物 為 對 象，針 對 建 築 物 開 口 之 位 置 與 大 小 對 室 內 自 然 通 風 功 效 之 影 響 進 行 探 討，並 分 析 因 建 築 物 內 外 部 間 之 壓 力 與 溫 度 差 異 對 室 內 氣 流 造 成 影 響 之 程 度 與 機 制，以 獲 得 量 化 之 整 合 結 果，進 而 提 供 相 關 建 築 通 風 配 置 規 劃 與 設 計 之 重 要 參 考 。 本 研 究 的 預 期 目 標 包 括 ： 1. 建 置 建 築 物 自 然 通 風 分 析 方 法 與 程 序 。 2. 分 析 典 型 大 型 建 築 物 自 然 通 風 之 氣 流 機 制，獲 得 規 劃 與 設 計 之 重 要 參 考 資 料 。 3. 提 昇 建 研 所 在 自 然 通 風 分 析 之 能 力，擴 展 其 對 工 程 與 產 業 界 之 服 務 範 疇 。
第二節 研究方法
一 、 研 究 方 法 本 研 究 擬 探 討 大 型 建 築 物 使 用 自 然 通 風 之 效 益，而 影 響 自 然 通 風 之 因 素 頗 多，包 括 建 築 物 外 的 風 速 及 風 向、建 築 物 的 幾 何 外 型、建 築 開 口 的 位 置 及 大 小，內 部 樓 層 隔 間 等。研 究 中 涉 及 之 量 化 評 估 除 了 紊 流 流 場 外，亦 包 括 相 應 溫 度 場 之 分 析，以 涵 蓋 大 型 建 築 物 中 風 壓 通 風 與 浮 力 通 風 兩 種 效 應 之 檢 討 。 二 、 研 究 內 容 研 究 中 針 對 圓 頂 室 內 集 會 場 館 與 矩 形 廠 房 兩 類 典 型 之 大 型 建 築 物 ， 其 相 應 之 形 狀 與 大 小 乃 參 酌 國 內 現 況 擬 定(詳圖 1 與圖 2)。 (a) 俯視圖 (b) 側視圖圖 1-1. 圓頂室內集會場館說明圖
資料來源：本研究整理
160m 40m 80m 40m 160m(a) 俯視圖 (b) 側視圖
圖 1-2. 雙層大型矩形廠房說明圖
資料來源：本研究整理
本 研 究 之 內 容 包 括 如 後 四 個 範 疇 ： (一) 相關文獻與背景資料之收集 (二) 風洞模型試驗 於 風 洞 中 設 置 大 型 建 築 物(圓 頂 集 會 場 館 與 矩 形 廠 房 )之 縮 尺 模 型，量 測 在 不 同 水 平 風 向 角 下 模 型 各 開 口 情 況 相 應 之 流 場 變 數，其 結 果 乃 作 為 數 值 模 擬 風 場 模 擬 驗 證 比 對 之 依 據 。 風 洞 試 驗 個 案 包 括 ： (1) 矩形廠房(1 層與 2 層)以及圓頂集會場館 3 個建築物模型。 (2) 針 對 各 建 築 物 模 型 各 種 開 口 情況 進 行 風 壓 量 測 ， 獲 得 表 面 風 壓(時均值與均方根值)之空間分佈結果。 (三) 數值模擬 針 對 矩 形 廠 房 與 圓 頂 室 內 集 會 場 館，以 計 算 流 體 動 力 學 方 法 進 行 建 築 物 不 同 開 口 大 小 與 位 置 安 排 下 相 應 流 場 與 濃 度 場 之 模 擬 。 16m 100m 50m 8m 4m 樓梯開口數 值 模 擬 個 案 包 括 ： (1) 來流風況：C 地況；0 與 45等 3 個水平風向角。 (2) 大型矩形廠房(1 層與 2 層)以及圓頂集會場館 3 個情況。 (3) 建築物內部與外部無溫度差異與有溫度差異 2 種情況。 (4) 針對 3 個建築物情況中，模擬各種開口方式(位置與大小)相 應 之 室 內 流 場 。 (四) 綜合分析 整 合 系 統 化 的 數 值 模 擬 結 果，分 析 建 築 物 室 外 風 環 境 與 室 內 氣 流 之 變 化，據 以 剖 析 建 築 物 之 通 風 效 果，獲 得 相 關 建 築 通 風 配 置 規 劃 之 重 要 參 考 準 則 。
第三節 研究流程與執行進度
本 研 究 主 要 包 括 風 洞 模 型 試 驗 與 數 值 模 擬 兩 個 部 份 的 工 作，另 包 含 專 家 諮 詢 會 議 之 舉 行，待 參 酌 諮 詢 意 見 後，針 對 計 畫 之 執 行 與 成 果 之 呈 現 提 出 可 能 修 正 之 建 議。各 階 段 之 研 究 步 驟 分 列 如 後(參見圖 1-3 研 究 步 驟 流 程)：圖1-3. 研究步驟流程圖
資料來源：本研究整理
1. 風洞模型試驗： (1) 相關文獻與資料之收集與整理。 (2) 縮尺模型製作。 文 獻 資 料 收 集 數 值 模 式 發 展 縮 尺 模 型 製 作 個 案 數 值 模 擬 試 驗 儀 器 整 備 風 洞 試 驗 量 測 數 值 結 果 驗 證 模 式 確 立 學 者 專 家 諮 詢 系 統 化 通 風 數 值 模 整 體 結 果 評 估 模擬結果整合與分析 報 告 撰 寫 風 洞 試 驗(3) 試驗儀器整備。 (4) 風洞試驗量測。 2. 數值模擬： (1) 數值模式發展。 (2) 個案(與風洞試驗相同情況)數值模擬。 (3) 數值結果比對驗證。 (4) 模式確立。 (5) 系統化通風數值模擬。 (6) 模擬結果整合與分析。 本 研 究 研 究 甘 特 圖 詳 圖 1-4。
月 次 工 作 項 目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 備 註 文 獻 資 料 收 集
▬
▬
數 值 模 式 發 展▬
▬
縮 尺 模 型 製 作▬
▬
試 驗 儀 器 整 備▬ ▬
個案數值模擬▬ ▬
風洞試驗量測與 數值結果驗證▬ ▬
期 中 報 告▬
查核點1 專 家 座 談▬
通風數值模擬▬ ▬ ▬ ▬
模擬結果整合▬ ▬ ▬
系 統 化 分 析▬
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整 體 性 評 估▬ ▬
期 末 報 告▬
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查核點2 預 定 進 度 (累積數) 8 20 32 43 50 58 65 73 85 93 100 %圖 1-4. 研究甘特圖
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第二章 文獻回顧
有 關 於 建 築 室 內 通 風 的 文 獻 頗 多，典 型 的 研 究 如 Chen & Jiang[9] 以 實 驗 與 計 算 流 體 動 力 學 (computational fluid dynamics; CFD)的 方 法 分 別 進 行 了 建 築 物 內 強 制 通 風、自 然 通 風、混 合 通 風 和 置 換 式 通 風 方 面 的 研 究 。 Chen[10]運 用 雷 諾 應 力 模 式 與 標 準 k-紊流模式模擬室內 風 場 。 江 哲 銘 [1]指 出 ， 當 室 外 風 速 超 過 1.5 m/s 時 ， 風 力 即 可 促 成 自 然 之 換 氣 。 Dascalaki 等 [11] 應 用 COMIS(conjunction of multizone specialists)模 式 預 測 與 實 場 量 測 以 比 較 研 究 建 築 物 單 側 通 風 與 貫 流 通 風 的 通 風 量。針 對 台 灣 的 氣 候 環 境，周 [2]以 實 驗 及 數 值 解 析 的 方 法進 行 室 內 風 場 研 究，並 指 出 春、秋 兩 季 為 台 灣 適 合 自 然 通 風 之 時 期。陳 [3]以 風 洞 試 驗 量 測 並 配 合 CFD 數 值 模 擬 探 討 高 架 地 板 置 換 式 的 自 然 通 風 方 式 對 室 內 氣 流 路 徑 、 分 佈 、 換 氣 效 率 及 舒 適 度 的 影 響 。 Ohba 等 [12]以 貫 流 通 風 模 型 進 行 風 洞 試 驗 ， 結 果 顯 示 室 內 風 場 會 受 到 室 外 風 場 的 影 響。Haghighat 等 [13]基 於 質 量 與 能 量 守 恆 並 融 入 了 射 流 特 徵 方 程 式，發 展 出 了 一 個 簡 化 之 數 值 模 型，以 預 測 自 然 通 風 與 機 械 通 風 於 一 個 房 間 中 的 空 氣 流 動 模 式 及 熱 分 佈 。 Heiselberg 等 [14]經 由 實 驗 量 測 與 理 論 分 析，探 討 不 同 類 型 窗 戶 開 口 對 房 間 內 的 熱 舒 適 性、氣 流 場 特 性 及 開 口 流 量 係 數 的 影 響 。 Chang 等 [15]應 用 大 渦 模 擬 (LES)方 法，針 對 不 同 的 窗 戶 開 口 配 置 以 探 討 換 氣 率 及 汙 染 物 擴 散 情 形，結 果 發 現 迎 風 面 開 口 為 影 響 空 氣 品 質 的 主 要 因 素。Allocca 等 [16]利 用 CFD 模 式 與 解 析 法 檢 討 使 用 風 壓、浮 力 或 兩 者 合 併 下 的 單 側 通 風 與 室 內 條 件 組 合 的 室 內 流 況，結 果 認 為 在 正 確 性 的 考 量 下 必 須 同 時 進 行 室 外 及 室 內 環 境 的 風 場 模 擬 。 Jiang 等 [17] 採 用 大 渦 流 模 擬 (large eddy simulation; LES)預 測 建 築 物 貫 流 通 風 及 迎 風 面、背 風 面 單 側 通 風 之 氣 流 場，並 與 風 洞 試 驗 量 測 比 對 驗 證，探 討 由 風 力 驅 動 之 自 然 通 風 機 制。
Kurabuchi 等 [18]經 由 風 洞 試 驗 與 大 渦 流 模 擬 比 對 研 究，提 出 了 一 個 局 部 動 力 相 似 理 論 。 邱 [4]採 用 標 準 k-模式模擬建築物室內裝設通風管 對 自 然 通 風 之 影 響 ， 結 果 顯 示 裝 設 通 風 管 後 可 顯 著 提 升 室 內 換 氣 率 。 Tan 等 [19]提 出 了 一 個 結 合 CFD 與 多 重 區 塊 的 模 式 以 預 測 大 型 建 築 的 中 庭 自 然 通 風 。 依 據 實 場 量 測 結 果 ， Mochida 等 [20]證 實 於 夏 季 時 可 透 過 控 制 窗 戶 開 口 以 改 善 室 內 的 熱 舒 適 性。蘇 [5]利 用 電 腦 模 擬 解 析 的 方 法，並 透 過 與 理 論 公 式 預 測 值 的 比 較，對 影 響 中 庭 浮 力 自 然 通 風 換 氣 量 及 中 性 面 位 置 遷 移 的 各 個 因 素 進 行 研 究 和 分 析 。 Seifert 等 [21]以 CFD 分 析 改 變 風 向 角 、 氣 流 路 徑 及 開 口 大 小 對 貫 流 通 風 換 氣 率 的 影 響 。 Evola 等 [22]以 k-模式與重整化群(renormalization group; RNG) 模 式 探 討 建 築 風 壓 通 風 。 Karava[23]等 經 由 風 洞 模 型 試 驗 ， 針 對 兩 相 鄰 牆 壁 窗 戶 開 口 產 生 之 貫 流 通 風 探 討 建 築 物 內 部 壓 力 及 流 量 係 數，結 果 顯 示 氣 流 流 速 會 因 不 同 的 流 量 係 數 而 變 化。陳 [6]針 對 單 室 居 室 之單 側 及 相 對 側 開 口 探 究 加 裝 導 風 板 對 自 然 通 風 效 益 之 影 響 。 Hu 等 [24] 以 大 渦 流 模 擬 方 法 探 討 紊 流 來 流 下 的 建 築 貫 流 通 風 效 應，並 針 對 來 風 在 垂 直 與 平 行 於 建 築 開 口 的 兩 個 情 況，探 討 其 對 建 築 周 遭 及 開 口 處 之 氣 流 場 及 開 口 換 氣 率 的 影 響 。 Gao 等 [25]以 追 蹤 氣 體 實 地 量 測 ， 探 討 傳 染 性 呼 吸 系 統 疾 病 在 室 內 環 境 中 的 空 氣 傳 播。陳 [7]以 風 洞 模 型 試驗 評 估 風 壓 通 風 的 影 響 參 數，並 探 討 風 速、風 向 角、室 外 風 場 和 通 風 開 口 的 大 小、形 狀 對 通 風 量 和 流 量 係 數 的 影 響，並 應 用 理 論 分 析 建 立 了 一 個 風 壓 平 衡 模 式 。 Chu 等 [26]使 用 風 洞 縮 尺 模 型 試 驗 ， 針 對 兩 相 對 面 上 各 有 一 開 口 及 兩 相 鄰 面 上 各 有 一 開 口 之 貫 流 通 風 配 置，探 討 紊 流 對 貫 流 通 風 的 通 風 量 及 流 量 係 數 之 影 響。後 續 朱 等 [8]繼 運 用 理 論 分析 及 風 洞 試 驗 探 討 風 壓 通 風 的 影 響 參 數。Tung 等 [27]使 用 追 蹤 氣 體 進 行 實 驗 量 測，以 檢 視 在 空 間 中 固 定 位 置 汙 染 源 情 況 下 三 種 不 同 通 風 方 案 對 污 染 氣 體 流 擴 散 之 情 形 ， 進 而 分 析 其 換 氣 率 及 通 風 性 能 優 劣 。 Chu
等 [28]以 風 洞 試 驗 探 討 室 內 隔 間 建 築 的 貫 流 通 風 ， 指 出 通 風 量 會 隨 著 室 內 開 口 的 面 積 增 大 而 增 大，而 當 迎 風 面 與 背 風 面 開 口 面 積 相 同 時 達 到 最 大 通 風 量 。
第三章 風洞試驗
研 究 中 以 風 洞 試 驗 ， 針 對 三 個 大 型 建 築 物 的 縮 尺 模 型(包括 1 個 圓 頂 室 內 集 會 場 館 與 2 個矩形廠房)進行模型試驗，量測在不同水平 風 向 角 下 模 型 各 開 口 情 況 相 應 之 流 場 變 數，其 結 果 係 作 為 數 值 模 擬 風 場 模 擬 驗 證 比 對 之 依 據 。第一節 實驗設備與配置
一 、 風 洞 系 統 風 洞 試 驗 係 於 內 政 部 建 築 研 究 所 風 洞 實 驗 室 進 行。風 洞 本 體 為 一 垂 直 向 的 封 閉 迴 路 系 統(參見圖 3-1)，其總長度為 77.9 m，最大寬度 為 9.12 m，最大高度為 15.9 m，並具有第一與第二兩個測試區(斷面 分 別 為 4 m × 2.6 m 與 6 m × 2.6 m)。風洞中之氣流係由直接傳動軸流 式 風 扇(直徑 4.75m，驅動馬達最大馬力為 500 kW，最高轉速為 390 rpm) 驅 動 ， 正 常 運 轉 風 速 範 圍 為 2 m/s 至 35 m/s，最高風速為 39 m/s。斷 面 模 型 試 驗 乃 於 第 一 測 試 區 緊 鄰 收 縮 段 後 進 行，其 風 況 屬 低 紊 流 強 度 (0.17%至 2%)且均勻(uniform)之平滑流(smooth flow)。於建築模型位 置 ， 地 板 面 之 邊 界 層 厚 度 為 7 公分，來流風速為 18.9 m/s。模型試驗之 阻 塞 比(blockage ratio) 小 於 2% 。 模 型 試 驗 相 應 之 雷 諾 數 (Re =
UH/；U 為來流風速，H 為模型高度，為空氣之運動黏滯度)分別為 2.6105(圓 頂 室 內 集 會 場 館)、5.2104(單 層 矩 形 廠 房)與 1.0105(雙層 矩 形 廠 房)。 二 、 建 築 物 模 型 製 作 與 架 設 建 築 物 模 型 係 以 1/200 之縮尺以 6 mm 之壓克力板製成(如見圖 3-2 與 圖 3-3)， 並 固 定 於 第 一 測 試 區 緊 鄰 收 縮 段 後 之 轉 盤 上 (參 見 圖 3-4)。模型頂面並分別埋設 92 個與 88 個壓力孔(如見圖 3-5 與圖 3-6)，
並 經 內 徑 1 mm 之 PVC 管連接至壓力感應器，據以量得其表面之內風 壓 分 佈。此 外，試 驗 中 於 建 築 物 模 型 之 進 風 口 與 出 風 口 處 另 設 置 了 總
壓 力(total pressure)與靜壓力(static pressure)管，以量測進風口與出風
口 壓 力 差 之 時 間 變 化 (如見圖 3-7 與圖 3-8)。
圖 3-1. 風洞系統簡圖
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圖 3-2. 圓頂室內集會場館模型試驗設置圖
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圖 3-3. 雙層矩形廠房模型試驗設置圖
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圖 3-4. 試驗圓形轉盤
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圖 3-5. 圓頂室內集會場館模型壓力管設置圖
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圖 3-6. 雙層矩形廠房模型壓力管設置圖
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圖 3-7. 圓頂室內集會場館模型出風口壓力管設置圖
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圖 3-8. 矩形廠房模型模型進風口壓力管設置圖
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三 、 風 速 量 測 風 洞 試 驗 中 來 流 風 速 係 採 用 直 式 皮 托 管(圖 3-9)配 合 以 薄 膜 式 壓 力 計(圖 3-10)進行量度。由皮托管所量測到的風壓變化，經由壓力轉 換 器 轉 換 為 類 比 電 壓 值 ， 再 藉 由 類 比/數 位(A/D)轉 換 器 將 類 比 訊 號 轉 換 為 數 位 訊 號，最 後 經 電 腦 讀 取、記 錄 與 分 析。待 量 得 皮 托 管 的 壓 力 差 值( pΔ )後，即代入後式計算出相應之風速(為空氣密度)。 2 p Up (3-1)
圖 3-9. 皮托管風速計
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圖 3-10. 薄膜式壓力轉換器
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皮 托 管四 、 壓 力 與 風 速 量 測 試 驗 中 採 用 電 子 式 壓 力 掃 描 模 組(Scanivalve ZOC33/64PX；參見 圖 3-11)配合壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200；參見 3-12)同步量 測 每 個 壓 力 量 測 孔 的 瞬 時 壓 力 。 壓 力 訊 號 處 理 系 統 能 支 援 類 比⁄數 位 (A⁄D)訊號轉換，最高可支援 8 組壓力掃描模組，解析度達 16 bits，採 樣 頻 率 為 500 Hz，每個壓力掃描模組共有 64 個壓力量測感應單元。 試 驗 進 行 時 係 同 時 使 用 兩 個 壓 力 掃 描 模 組(置 於 模 型 底 座 下 方)， 並 將 壓 力 管 線 連 接 至 模 組 上 的 壓 力 輸 入 埠 ， 由 個 人 電 腦 透 過 USB 介面控 制 壓 力 訊 號 處 理 系 統 擷 取 各 模 組 之 量 測 資 料，其 時 序 列 資 料 續 儲 存 於 電 腦 ， 以 做 進 一 步 的 統 計 分 析 。 在 建 築 物 模 型 頂 面 之 內 風 壓 量 測 中，參 考 壓 力 的 位 置 係 於 模 型 上 游 1 米、風洞中心線水平側向距離 1.3 米、地板高 0.15 米處；於同位 置 並 以 皮 托 管 量 測 其 風 速(圖 3-13)。 五 、 資 料 之 處 理 試 驗 信 號 經 擷 取 系 統(圖 3-14)與類比/數位(A/D)轉 換 後 ， 其 時 序 列 資 料 續 儲 存 於 電 腦 ， 並 作 進 一 步 的 統 計 分 析 。
圖 3-11. 電子式壓力掃描模組
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圖 3-12. 壓力訊號處理系統
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圖 3-13. 皮托管風速計
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圖 3-14. 資料擷取系統
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第二節 模型試驗結果
研 究 中 之 試 驗 量 測 係 針 對 矩 形 廠 房 與 圓 頂 室 內 集 會 場 館 兩 類 典 型 大 型 建 築 物 之 1/200 縮尺模型(參見圖 3-15 至圖 3-17)，在均勻來流 (U=18.9m/s)、三個水平風攻角(矩形廠房：0與45；圓頂室內集會 場 館：=0、15與 30)情況下針對建築物模型頂面進行內風壓量測， 模 型 試 驗 之 阻 塞 比 分 別 約 為 0.2%、0.4%(雙層矩形廠房)與 1.5%(圓頂 室 內 集 會 場 館)，其結果乃作為數值模擬風場模擬驗證比對之依據。 (a) 俯視圖 (b) 前視圖 (c) 後視圖圖 3-15. 單層矩形廠房模型尺寸圖
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50cm 25cm 10cm 5cm 2cm 4cm 進風口 頂面 20cm 10cm 5cm 2cm 4cm 頂面 出風口(a) 俯視圖 (b) 前視圖 (c) 後視圖
圖 3-16. 雙層矩形廠房模型尺寸圖
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4cm 50cm 25cm 2cm 12.5cm 12.5cm 25cm 2FL 樓梯口 5cm 10cm 4cm 8cm 2cm 進風口 頂面 9.5cm 2cm 1cm 6cm 窗 頂面 出風口一 出風口二(a) 俯視圖 (b) 前視圖 (c) 後視圖
圖 3-17. 圓頂室內集會場館建築模型尺寸圖
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80cm 20cm 40cm 120∘ 6cm 120∘ 1cm 14cm 17cm 20cm 6.8cm 窗 80cm 頂 面 窗 窗 頂 面 出風口一 出風口二 進 風 口圖 3-18 至圖 3-20 與圖 3-21 至圖 3-23 分別顯示單層與雙層矩形 廠 房 情 況 在 三 個 水 平 風 攻 角 之 均 勻 來 流 下 建 築 頂 面 平 均 內 風 壓 係 數 ( 2 o i (p p )/0.5 U Cp ；p 為參考壓力)之量測結果。 o
圖 3-18. 單層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=0
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圖 3-19. 單層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=45
)資料來源：本研究整理
圖 3-20. 單層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=-45
)資料來源：本研究整理
圖 3-21. 雙層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=0
)圖 3-22. 雙層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=-45
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圖 3-23. 雙層矩形廠房頂面內風壓係數等值圖(=45
)圖 3-24 至圖 3-26 顯示圓頂室內集會場館情況在三個水平風攻角 之 均 勻 來 流 下 建 築 頂 面 平 均 內 風 壓 係 數 之 量 測 結 果 。
圖 3-24. 圓頂室內集會場館內風壓係數等值圖(=0
)圖 3-25. 圓頂室內集會場館內風壓係數等值圖(=15
)圖 3-26. 圓頂室內集會場館內風壓係數等值圖(=30
)第四章 數值模擬方法與模式驗證
研 究 中 主 要 係 以 計 算 流 體 動 力 學(computational fluid dynamics;
CFD)的方法進行圓頂室內集會場館與矩形廠房之紊流流場模擬，並依 據 氣 流 場 與 濃 度 場 結 果，細 部 探 討 室 內 自 然 通 風 之 功 效。流 場 之 數 值 模 擬 計 算 採 用 了 FLUENT 的 CFD 計算程式，茲說明如後。
第一節 FLUENT 套裝軟體說明
FLUENT 是美國 Ansys 公司所開發的計算流體力學套裝軟體。本 軟 體 係 以 有 限 體 積 法(finite-volume method)，解析如後之連續方程式 與 動 量 方 程 式 ： 0 z w y v x u (4-1) ) z u y u x u ( f x p 1 z u w y u v x u u t u 2 2 2 2 2 2 x ) z v y v x v ( f x p 1 z v w y v v x v u t v 2 2 2 2 2 2 y ) z w y w x w ( f x p 1 z w w y w v x w u t w 2 2 2 2 2 2 z (4-2) 其 中，u、v、w 為速度在 x、y、z 三 個 方 向 之 分 量；t 為 時 間；fx、fy、 fz為 場 加 速 度 在 x、y、z 座標上之分量；p 為壓力；ρ 與 ν 分別為流 體 之 密 度 與 運 動 黏 滯 度(kinematic viscosity)。 FLUENT 係採用有限體積法為主要架構，進而求解連續方程式與 動 量 方 程 式 以 獲 取 流 場 中 的 速 度 及 壓 力，以 克 服 對 於 複 雜 幾 何 形 狀 計 算 值 域 的 適 用 性 問 題 。基 本 上 ， 在 求 解 納 維 爾-史托克方程式(Navier-Stokes equation)時 使 用 直 接 模 樣(direct simulation)法因不引入任何的紊流模式，可以獲 得 最 為 準 確 的 結 果。但 於 求 解 一 個 三 維 空 間 的 問 題 時，以 目 前 電 腦 的 運 算 速 度 及 所 需 的 計 算 時 間 尚 未 達 實 用 的 階 段。因 此，在 一 個 時 間 域 上 的 紊 流 流 場 中 ， 可 將 流 速 與 壓 力 分 為 平 均 量(mean) 與 擾 動 量 (fluctuation)兩 個部 份，進 而 推 衍 出 雷 諾 平 均 下 的 連 續 與 動 量 方 程 式 ，
此 即 FLUENT 軟體中使用的 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)
方 法 。 一 、FLUENT 軟體架構與功能 (一) FLUENT 軟體之組成 FLUENT 軟體包括如後幾個部分：(參見圖 4-1) (1) FLUENT求解器 (2) prePDF：用於模擬PDF燃燒過程 (3) GAMBIT：設置幾何形狀與網格生成 (4) TGrid：額外的處理器，用於從現有的邊界網格來生成體網格。 (5) Filters(Translators)：轉換由其它軟體生成的網格。 (二)求解步驟 FLUENT 軟體求解之基本步驟為： (1) 使用GAMBIT，幾何外形讀入與資料修改，並生成計算網格 (2) 網格讀入求解器中 (3) 檢查網格 (4) 選擇求解的方程式：無黏滯流、層流或紊流 (5) 設定邊界條件 (6) 設定流體或介質特性 (7) 設定計算內容（多相流、化學反應或燃燒） (8) 設定控制參數（格式、時間、輸入輸出參數）
(9) 流場初始化 (10) 進行迭代計算與過程監控 (11) 輸出結果進行後處理計算。
圖 4-1. FLUENT 基本程序結構示意圖
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(三)求解器的種類 FLUENT 中之求解器有如後四種選擇： (1) FLUENT 2d：二維單精度求解器 (2) FLUENT 3d：三維單精度求解器 (3) FLUENT 2ddp：二維雙精度求解器 (4) FLUENT 3ddp：三維雙精度求解器 FLUENT 網 格 輸 入 及 調 整 物 理 模 型 邊 界 條 件 流 體 物 性 確 定 計 算 結 果 後 處 理 TGRID 2D 三角網格 3D 四面體網格 2D、3D 混合網格 其 他 軟 件 包 ， 如 CAD、CAE 等 GAMBIT 設 置 幾 何 形 狀 生 成 2D、3D 網格 PrePDF PDF 查表 2D 或 3D 網格 PDF 程序 網 格 邊 界 網 格 幾 何 形 狀 或 網 格 邊 界 或 體 網 格(四)網格之形式 在 建 構 幾 何 外 型 及 生 成 網 格 的 功 能 上，FLUENT 可以使用任意形 狀 的 網 格，包 括 二 維 的 的 三 角 形 和 四 邊 形 網 格、三 維 的 四 面 體、六 面 體、棱 柱 體、金 字 塔 形、多 面 體 網 格 與 混 合 網 格。此 外，於 FLUENT 中 也 可 運 用 網 格 單 元 與 任 意 交 界 面 的 技 術 與 局 部 加 密 技 術 相 結 合，利 用 自 動 網 格 生 成 器 以 快 速 產 生 非 連 續、完 全 非 結 構 化 之 網 格。其 幾 何 處 理 能 力 包 括 ： (1) 運 用 六 面 體 、 四 面 體 、 多 棱 柱 、 多 面體 可 任 意 組 合 ， 適 用 於 高 度 靈 活 的 非 結 構 化 網 格 技 術 。 (2) 任意網格相交的不連續網格連接技術。 (3) 嵌入式網格加密用來增強局部的網格密度。 此 種 網 格 的 自 我 適 應 能 力 對 於 求 解 的 精 度 和 對 於 較 大 梯 度 的 流 場(如 自 由 剪 切 流 和 邊 界 層 問 題)有 很 實 際 的 功 效 ， 網 格 調 整 只 需 要 在 要 加 密 的 區 域 裡 實 施 ， 而 非 整 個 流 場 ， 因 此 可 以 節 省 計 算 時 間 。 (五)邊界條件之選項 在 邊 界 條 件 的 設 定 上 ，FLUENT 提供了多種選擇，包括： (1) velocity-inlet：速度入口
由於 FLUENT 在可壓縮流(compressible flow)的問題解析中會使 得 入 流 中 總 溫 度 及 總 壓 力 產 生 某 種 程 度 的 波 動，故 本 邊 界 條 件 只 適 用 於 不 可 壓 縮 流(incompressible flow)的 流 場 計 算 。 需 要 輸 入 的 量 值 包 括 ： 速 度 大 小 、 方 向 或 各 速 度 分 量 ； 轉 動 速 度(軸 對 稱 旋 轉 流 動)和 温 度(考慮能量情況)等。 (2) pressure inlet：壓力入口 適 用 於 進 口 流 量 (flow rate)或 流 動 速 度 未 知 的 情 況 ， 如 浮 力 驅 動 的 流 動 問 題。壓 力 進 口 條 件 亦 可 用 於 處 理 外 部 或 非 受 限 流 動 的 自 由 邊 界，對 可 壓 縮 流 和 不 可 壓 縮 流 場 之 計 算 皆 適 用。需 要 輸 入 的 量 值 計 有
總 壓 力 、 總 溫 度 、 流 動 方 向 、 靜 壓 力 與 紊 流 通 量(turbulent flux)。 (3) mass-flow-inlet：質量流入口
本 邊 界 條 件 主 要 適 用 於 可 壓 縮 流 流 場 。 質 量 之 入 口 條 件 包 含 兩
種：質 量 流 率(mass flow rate)和質量通量(mass flux)。質量流率是單位
時 間 内 通 過 入 口 總 面 積 的 質 量；質 量 通 量 是 單 位 時 間 內 通 過 入 口 單 位 面 積 的 質 量 。 由 於 入 口 總 壓 力 是 持 續 變 動 的，可 用 以 調 節 速 度 以 達 到 給 定 的 流 量，然 此 使 得 計 算 的 收 斂 速 度 變 慢。因 此，當 壓 力 入 口 和 質 量 入 口 條 件 均 可 適 用 時，宜 優 先 考 慮 選 擇 壓 力 進 口 條 件。至 於 在 不 可 壓 縮 流 場 之 情 況 中，由 於 密 度 為 常 數，因 此 可 以 考 慮 使 用 速 度 進 口 條 件，而 沒 有 必 要 選 擇 壓 力 入 口 邊 界 條 件 。 (4) inlet-vent：入口通風 用 於 給 定 通 風 問 題 之 入 口 條 件，包 括：損 失 係 數、流 動 方 向、環 境 靜 壓 和 靜 溫 度。在 不 考 慮 風 扇 厚 度 之 假 設 下，壓 力 坡 降 正 比 於 流體 動 壓 和 損 失 係 數(head loss coefficient)。
(5) intake-fan：進氣風扇 用 於 模 擬 外 部 進 氣 風 扇 ， 需 給 定 壓 力 坡 降 、 環 境 靜 壓 力 和 靜 溫 度。在 忽 略 風 扇 厚 度 之 假 設 下，流 體 通 過 排 氣 扇 的 壓 力 坡 降 為 流 體 速 度 的 函 數。如 果 是 反 方 向 流 動，風 扇 可 以 視 為 通 風 出 口，且 其 相 應 之 損 失 係 數 為 1。 (6) outflow：自由流出口 用 於 模 擬 出 口 速 度 或 者 壓 力 未 知 的 情 況。由 於 出 口 處 之 流 況 視 為 完 全 發 展(fully developed)者，於出口處無需给定速度與壓力，而是經 由 内 部 計 算 獲 得 。 除 了 壓 力 外 ， 其 它 變 數 之 變 化 梯 度 皆 為 零 。 值 得 一 提 的 是 ， 當 已 使 用 壓 力 進 口 條 件 ， 或 在 模 擬 可 壓 縮 流 問 題 、 有 密 度 變 化 的 非 恆 定(unsteady) 流 動 問 題 時 ( 即 使 仍 屬 不 可 壓 縮
流 )， 本 邊 界 條 件 並 不 適 用 。 (7) pressure-outlet：壓力出口 本 邊 界 條 件 需 給 定 出 口 的 静 壓。對 於 有 回 流 的 出 口，該 邊 界 條 件 比 outflow 邊界條件更容易收斂。如果有回流發生，給定的靜壓將視 為 總 壓 ， 因 此 無 需 再 給 定 回 流 壓 力 ， 而 回 流 流 動 方 向 與 出 口 邊 界 垂 直 。 不 過 ， 靜 壓 只 限 用 於 亞 音 速 流 場(sub-sonic flow)計算。若流場中 局 部 出 現 超 音 速(super-sonic)的 情 況 ， 則 輸 入 之 靜 壓 在 計 算 過 程 中 就 不 被 採 用 。 (8) pressure-far-field：遠場壓力 本 邊 界 條 件 只 適 用 於 理 想 氣 體 的 計 算 問 題(屬 可 壓 縮 流 的 範 疇)， 其 適 用 於 離 重 點 區 域 足 夠 遠 的 位 置，需 要 輸 入 的 項 目 包 括 邊 界 之 靜 壓 力 、 温 度 及 馬 赫 數 。 (9) outlet-vent：出口通風 用 於 模 擬 出 口 通 風 情 況，應 給 定 損 失 係 數、流 動 方 向、環 境 靜 壓 和 溫 度 。 (10) exhaust-fan：排氣風扇 用 於 模 擬 外 部 排 氣 風 扇 的 情 況，需 給 定 壓 力 坡 降、流 動 方 向、環 境 靜 壓 力 和 溫 度。假 定 排 氣 扇 無 限 薄，流 體 通 過 排 氣 扇 的 壓 力 坡 降為 流 體 速 度 的 函 數。在 不 考 慮 風 扇 厚 度 之 假 設 下，流 體 通 過 排 氣 扇 的壓 力 坡 降 為 流 體 速 度 的 函 數 。 (11) symmetry：對稱邊界 對 稱 邊 界 條 件 適 用 於 計 算 區 域 中 流 場 及 溫 度 場 為 對 稱 的 狀 況。由 於 對 稱 軸 或 對 稱 平 面 上 沒 有 流 通 量，因 此 垂 直 於 對 稱 軸 或 對 稱 平 面 的 變 化 梯 度 為 零 ， 而 於 計 算 中 無 需 輸 入 任 何 參 數 。 (12) wall：固體邊界 針 對 黏 滯 性 流(viscous flow)問題，FLUENT 認定固體邊界屬無滑
動(no-slip)條 件 ， 但 當 固 體 移 動 或 轉 動 時 可 以 指 定 固 體 表 面 切 線 向 之 速 度 分 量 ， 也 可 以 給 定 壁 面 切 應 力 的 方 程 式 來 模 擬 壁 面 之 物 理 特 性 。 當 處 理 熱 流 問 題 時，本 邊 界 條 件 亦 需 輸 入 固 定 熱 通 量、固 定 温 度、對 流 換 熱 與 外 部 輻 射 換 熱 係 數 等 。 (六) FLUENT 之應用範疇 FLUENT 可供模擬應用之範疇包括： (1) 不可壓縮流與可壓縮流 (2) 恆定與非恆定流動 (3) 無黏滯流、層流與紊流(包含各種紊流模式) (4) 牛頓流體及非牛頓流體 (5) 對流、傳導與輻射傳熱(包括固體內導熱、太陽輻射、透明固體輻 射 及 可 穿 透 介 質 中 輻 射 的 傳 播) (6) 熱傳導與對流換熱耦合問題 (7) 化學反應(包括氣體、液體與固體燃料燃燒) (8) 慣性座標系(靜止)和非慣性座標系(旋轉)下的流動模型 (9) 可以處理熱量、質量、動量和化組成的源項 (10) 尤拉及拉格朗日多相流(稀密相氣固、氣液、固液、液液系統) (11) 多孔介質流動 (12) 一維風扇、熱交換器性能計算 (13) 兩相流(two-phase flow)問题 (14) 複雜形狀下的自由表面流動
(七) FLUENT 中紊流模式(turbulence model)之選項
FLUENT 在黏滯性流場(viscous flow)計算提供了數種紊流模式之
應 用，包 括：Spalart-Allmaras 模式、標準 k-ε 模式、 k-Ω 模式、Reynolds
Stress 模式、 DES(detached eddy simulation)模式與 LES(large eddy
二 、FLUENT 軟體操作說明 (一) 模型建構與網格劃分 GAMBIT 為 FLUENT 的 CFD 前置處理器，用以從事模型之建構 及 網 格 之 劃 分。於 此 具 有 組 合 建 構 模 型 能 力 之 前 處 理 器 中 可 訂 定 邊 界 條 件，而 核 心 解 算 與 後 處 理 則 在 FLUENT 求解器中執行(參見圖 4-2)。 在 建 築 物 邊 界 條 件 之 設 定 上，建 築 物 迎 風 面、背 風 面、兩 側 風 面 和 頂 面 皆 設 定 為 wall。在計算區域方面，區域底部設定為 wall，其餘 左 側 、 右 側 及 頂 部 皆 設 定 為 symmetry 。 於 開 口 位 置 之 截 面 設 定 為 interior。至於在而出入流邊界部分，則選擇 velocity-inlet 入流邊界以 及 outflow 出流邊界類型。待區域、邊界和網格三項模式設定完成後， 即 可 輸 出 一 個.msh 檔案以供 FLUENT 軟體進行後續之計算求解。 由 於 在 GAMBIT 中只能選擇邊界條件的形式，無法定義邊界值， 其 細 節 需 在 FLUENT 設定。此外，如果沒有預先在 GAMBIT 中選定 邊 界 條 件 的 形 式 ，FLUENT 會將所有邊界預設為 wall 之形式。
圖 4-2. GAMBIT 操作視窗
資料來源：本研究整理
(二)模型與網格檢核
待 模 型 完 成 建 構 後，操 作 者 應 續 開 啟 FLUENT 求解器。由於本研
究 之 數 值 模 擬 係 使 用 六 核 心 電 腦 進 行 多 核 心 運 算(圖 4-3)，故於選定三
維 雙 精 度 後(圖 4-4)即啟動求解器視窗，並依照 File-> Read-> Data 之
操 作 路 徑，讀 入 網 格.msh 檔案。此時，視窗會顯示計算區域範圍座標 和 網 格 體 積 大 小 等 參 數 以 供 核 對(參 見 圖 4-5)， 而 後 則 依 循 Grid-> Check 的路徑，至求解器內部檢核所讀入之網格是否有隱含之錯誤。
圖 4-3. FLUENT 求解器六核心運算設定
資料來源：本研究整理
圖 4-4. FLUENT 求解器精度設定
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理圖 4-5. FLUENT 求解器讀入網格資料
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 (三)求解設定 在 進 行 計 算 之 前 ， 應 作 如 後 各 項 之 設 定 ： (1)分析項目： 在 求 解 基 礎 條 件 的 部 分，使 用 內 部 預 設 設 定，包 括 壓 力 控 制、隱 式 解(Implicit)、非恆定(Unsteady)等選項(參見圖 4-6)。圖 4-6. FLUENT 求解設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 (2)選擇紊流模型研 究 中 選 用 標 準 k-紊流模型，軟體中參數 C預 設 值 為 0.09，C1 預 設 值 為 1.44，C2預 設 值 為 1.92，k預 設 值 為 1.0(圖 4-7)。
圖 4-7. FLUENT 紊流模型參數設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 (3)定義來流邊界值 在 來 流 邊 界 條 件 之 給 定 上 可 應 用 FLUENT 軟體的 UDF 外掛程式 功 能 ， 讀 入 邊 界 上 所 有 網 格 座 標 點 相 應 之 風 速 、 紊 流 動 能(turbulencekinetic energy) 及 紊 流 消 散 率 (dissipation rate) 等 資 料 作 為 來 流 邊 界 值。在 進 行 模 擬 時，軟 體 內 部 將 會 利 用 給 定 的 來 流 邊 界 值 作 為 基 準 以 產 生 來 流 。 其 中 ， 自 行 定 義 函 數(UDF)是以 C 語言為基礎架構的編輯 程 序，它 可 以 動 態 連 結 到 FLUENT 上以提高求解器性能，以定義出既 定 之 邊 界 條 件 與 屬 性 等(參見圖 4-8)。 使 用 UDF 讀入檔案後，邊界值設定視窗內會呈現其他來流選項 可 供 選 擇，而 有 關 速 度 向 量、紊 流 動 能、紊 流 消 散 率 等 項 目 之 給 定 則
分 別 選 擇 udf x_velocity、udf k_profile、udf dissip_profile 作為來流設
圖 4-8. FLUENT 來流邊界值 UDF 設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理
圖 4-9. FLUENT 邊界值設定視窗
圖 4-10. FLUENT 來流邊界值設定視窗
資料來源：本研究整理
(4)流體性質 研 究 問 題 中 之 流 體 為 風，故 將 項 目 設 定 為fluid以及air流體，軟體 會 自 行 設 定 流 體 密 度 及 流 體 黏 滯 度 等(參 見 圖 4-11)。 但 若 另 有 需 要 ， 也 可 自 行 輸 入 所 需 之 流 體 條 件 。圖 4-11. FLUENT 流體性質設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理(5)迭代計算設定
在 進 行 計 算 之 前 要 先 設 置 初 始 條 件，本 數 值 模 擬 皆 以 零 流 場 為 初
始 情 況(然也可以經由File-> read-> data的路徑讀入初始值給定 (參見
圖4-12)。
圖 4-12. FLUENT 計算初始值設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 此 外 ， 於 計 算 進 行 中 ， 為 了 要 即 時 瞭 解 模 擬 過 程 與 收 斂 的 情 況 ， 可 設 定 視 窗 來 監 視 計 算 過 程(見圖4-13與圖4-14)。 當 進 行 非 恆 定 情 況 之 數 值 計 算 時 ， 需 要 設 定 時 間 增 量(time increment)、 計 算 步 數 和 每 單 位 時 間 最 多 迭 代 次 數 等 參 數 。 儘 管 於 隱 式 解 法 中 對 於 時 間 增 量 並 無 限 制，然 針 考 量 本 研 究 中 時 變 流(transient flow) 問 題 模 擬 之 精 確 度 ， 將 FLUENT 中 之 最 小 時 間 (t) 設 定 為 0.001(sec) (參見圖4-15) 。圖 4-13. FLUENT 計算殘值設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理
圖 4-14. FLUENT 計算監控視窗
圖 4-15. FLUENT 迭代計算設定視窗
資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理
圖 4-16. FLUENT 輸出資料設定視窗
(6)資料之輸出 FLUENT 軟體本身具有後處理功能，也可輸出資料作後處理。計 算 中 能 將 所 需 要 的 時 序 列 資 料(包 括 速 度 、 壓 力 、 紊 流 動 能 、 紊 流 消 散、紊 流 渦 度 等)依 File ─> Journal 的功能，設定於每次迭代完成後作 自 動 輸 出。由 於 輸 出 檔 案 格 式 可 自 行 選 擇，研 究 中 選 用 Teplot 繪圖軟 體 作 為 資 料 輸 出 的 格 式(參見圖 4-16)。 (四)濃度場及溫度場模擬設定 (1)濃度場模擬 於 進 行 濃 度 場 模 擬 時 ， 利 用 軟 體 中 的 自 行 定 義 標 量 UDS(user
defined scalar)來求解，依照 Define->User Defined->Scalars 路徑，於
面 板 中 設 定 使 用 一 個 UDS 方程，再選擇運算區域、通量函數及非穩
態 函 數 選 項(參見圖 4-17)
圖 4-17. FLUENT UDS 方程設定視窗
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於 Materials 面板中需設定濃度擴散係數，濃度擴散係數由紊流
C t C ν S (4-3) 式 中νt與 分別為流體的紊流黏滯度(turbulent viscosity)及紊流擴散C (turbulent diffusion)係數。研究中設定紊流史密特數為 0.8 [29] (參見 圖 4-18)。
圖 4-18. FLUENT 濃度擴散係數設定視窗
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圖 4-19. FLUENT UDS 邊界條件設定視窗
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於 邊 界 條 件 定 義 面 板 中 固 體 邊 界 條 件 的 UDS 選項，User-Defined Scalar Boundary Condition 設 為 Specified Flux， 並 將 User-Defined Scalar Boundary Value 設定為 0 (圖 4-19)。最後，於計算前設定流場 之 濃 度 初 始 值(Solve->Initialize->Patch) (圖 4-20)。
圖 4-20. FLUENT UDS 初始值設定視窗
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(2)溫度場模擬 首 先 於 Energy 面 板 中 激 活 能 量 方 程 計 算 (參 見 圖 4-21)。 再 於 Operating Condition 面板中激活重力選項，設置重力加速度的值及方向 ， 並 設 定 Specified Operating Density(參見圖 4-22)。
圖 4-21. FLUENT 能量方程設定視窗
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圖 4-22. FLUENT 操作條件設定視窗
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於 Materials 面板中，給定熱膨脹係數及紊流熱傳導係數。紊流 熱 傳 導 係 數 係 由 紊 流 普 朗 特 數(turbulent P r a n d t l n u m b e r ) 推 求 得 知 ( 研 究 採 用 0 . 7 1 [ 3 0 ] ) ， 定 義 如 後 ： T t ν Pr (4-4) 式 中 T為 紊 流 熱 傳 導 係 數 。 於 邊 界 條 件 定 義 面 板 中 的 入 流 邊 界 條 件 中 給 定 入 流 溫 度 ， 並 於 固 體 邊 界 條 件 的 Thermal 選項中設定其無熱傳遞。(參見圖 4-23) 最 後 於 計 算 前 設 定 流 場 之 溫 度 初 始 值(Solve->Initialize->Patch) (圖 4-24)。圖 4-23. FLUENT Thermal 邊界條件設定視窗
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圖 4-24. FLUENT Thermal 初始值設定視窗
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第二節 數值預測結果之比對與模式驗證
研 究 中 使 用 FLUENT 軟體，針對矩形廠房與圓頂室內集會場館之 紊 流 流 場 進 行 模 擬，並 與 風 洞 模 型 試 驗 之 量 測 結 果 進 行 比 對，據 以 驗 證 數 值 模 式 在 預 測 上 之 正 確 性 。 一 、 頂 面 平 均 內 風 壓 係 數 依 據 數 值 計 算 結 果 ， 圖 4-25 至圖 4-27 顯示單層矩形廠房情況在 三 個 水 平 風 攻 角 (=0與 45)之 均 勻 來 流 下 建 築 頂 面 平 均 內 風 壓 係 數 量 測 與 數 值 模 擬 結 果 之 比 較 ， 二 者 間 大 致 呈 現 不 錯 之 吻 合 度 。 圖4-28 至圖 4-30 顯示雙層矩形廠房情況在三個水平風攻角(=0 與45)之 均 勻 來 流 下 建 築 頂 面 平均 內 風 壓 係 數 量 測 與 數 值 模 擬 結 果 之 比 較 ， 基 本 上 二 者 間 呈 現 不 錯 之 一 致 性 。 圖 4-31 至圖 4-33 則顯示圓頂室內集會場館情況在三個水平風攻 角(=0、15與 30)之均勻來流下建築頂面平均內風壓係數量測與數 值 模 擬 結 果 之 比 較 ， 結 果 亦 呈 現 相 當 程 度 之 一 致 性 。 二 、 進 出 風 口 之 壓 力 差 表 4-1 至表 4-3 列舉出單層矩形廠房、雙層矩形廠房與圓頂室內 集 會 場 館 三 個 模 型 情 況 進/出 風 口 平 均 壓 差 係 數 之 試 驗 與 模 擬 結 果 比 較(參見圖 3-15 至圖 3-17)，顯示出數值模式在風場預測上具有不錯之 準 確 性 。(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-25. 單層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=0)
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(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-26. 單層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(
=45)
(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-27. 單層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=-45)
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(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-28. 雙層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=0)
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(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-29. 雙層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(
=45)
(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-30. 雙層矩形廠房頂面平均內風壓係數比較圖(=-45)
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(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-31. 圓頂集會場館頂面平均內風壓係數比較圖(=0)
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(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
圖 4-32. 圓頂集會場館頂面平均內風壓係數比較圖(
=15)
(a) 數值模擬結果
(b) 試驗量測結果
