躲避風險－防風設施對金門大橋強風的探討

金門地區第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書

科 別：地球科學科 組 別：國中組

作品名稱：躲避風險-防風設施對金門大橋強風的探討 關 鍵 詞：防風設施、金門大橋、風洞

編 號：

摘要

金門大橋是連結大小金門一個非常重要的存在，而它即將在今年年底完工，但是金門 的東北季風平均在每秒 3.5 公尺以上，瞬間陣風季風更可達每秒 30.2 公尺，當颱風來時 風速最高甚至可達每秒 61 公尺，面對金門強勁的季風與颱風來臨時，橋上的防風設施 對行車安全將是很大的考驗。

經過風洞的模型製作與改善，以及產生可視化煙霧流，便於觀察風流經防風設施的 路徑和渦流，設計了各種擋風牆模型，通過風洞實驗獲得各項阻風數據， 證實三角形牆 面的防風牆有最佳的阻風效果。

壹、研究動機

在金門大橋附近散步時，看到金門大橋在今年年底要完工了，我們才發現原來金門 大橋已經蓋將近十年了，現在終於要完工了，但是這裡冬天的風那麼大，車子跟機車通 過時真的安全嗎？這附近的風最快可以到多快？有沒有什麼方法可以讓橋上的風變得比 較小？

於是我們一起請教老師關於這類的相關問題，在我們搜尋了相關的文獻後，發現了 歷年東北季風、颱風的資料的風速資料，季風的瞬間陣風可能就能把人吹倒，這個問題 未見有人在討論，於是我們決定開始防風的實驗，探討何種防風裝置是最適合在金門大 強裝設，以保護大家過橋時的安全。

貳、研究目的

一、設計、模擬自然風的風速與風向的風洞裝置 二、設計可視化的風洞煙霧氣流與防風設施製作 三、探討風速與牆後距離對阻風效果的影響 四、探討風速與風向角度的阻風效果的影響 五、比較防風設施類型對牆後距離的阻風效果 六、比較防風設施類型對風向角度的阻風效果

參、研究設備及器材

直尺 循環扇 木條 奈米沙網 吹風機

全彩 LED 燈管 風速計 壓克力板 PP 板 熱熔槍

隔音棉 美工刀 壓克力切割刀 黏土 吸管

模型橋 冰棒棍 膠帶&膠台 甘油 棉花

表 1、實驗器材表

肆、研究過程或方法 一、研究流程圖

圖 1、實驗流程圖

二、文獻探討

季風的形成主要是因為大陸與海洋的比熱不同。在冬季中，地表接收到的太陽熱量 少於往宇宙輻射散失的熱量，因而大陸快速冷卻，形成冷高氣壓；而海洋上比較暖，形 成暖低氣壓，於是冬北季風從內陸冷高壓流向海洋低氣壓，如下圖 2 所示。

圖 2、取至於中央氣象局數位科普網

(二)在地季風風速

金門四面環海，每年自十月起，開始吹東北季風，風力強猛，大約三到四級，至隔年四 月風力才開始減弱。

(三)金門大橋地理位置與現況

金門大橋是一座連結金門本島與小金門的海上橋梁，為一脊背橋，全長 5.4 公里，其中跨海 橋長 4.8 公里，最大跨徑 280 公尺。2012 年 5 月 1 日動工，期間多次延後完工時間。在今年 5 月完成了最後一根基樁，即將開始吊裝接合節塊，進度相當穩健，預計 2021 年年底通 車，完工耗時約五年，由於橋位於金門本島西半島和烈嶼東半島之間，橋梁無防風林或高 山地形遮蔽，所以東北季風和颱風將影響交通安全甚鉅。

圖 3、取自國道視窗

(三)金門季風

每年 11 月起，東北季風愈來愈強，到了明年的 3 月，風力轉弱，到五月後，逐漸轉為 西南風。

觀測時間 (month)

風速 (m/s)

風向 (360degree)

最大陣風 (m/s)

最大陣風風向 (360degree)

202012 4.3 60 18 80

202011 4.4 60 20.1 70

202010 4.6 60 20.5 70

202009 2.9 70 14.9 70

202008 2.8 240 27.7 160

202007 2.9 230 14 100

202006 3 240 14.3 210

202005 2.7 60 16 70

202004 3.2 70 17 70

202003 3 70 17.7 60

202002 3 40 20 220

202001 3 60 16.4 40

201912 3.5 70 17.9 70

201911 4 60 19.5 70

201910 3.5 50 17.8 70

201909 3.4 70 17.4 40

201908 3.1 250 25.3 50

201907 2.6 240 14.3 170

201906 2.8 240 17 250

201905 2.7 60 21.8 70

201904 2.6 60 17.2 310

201903 3.1 70 17.3 70

201902 3.1 70 17.5 60

201901 3.5 70 20.5 80

201812 3.6 60 19.1 60

201811 3.2 60 21.2 50

201810 3.7 50 20.3 60

表 2、2018-2020 風速表 (四)風洞原理

風洞是一種產生人造氣流的管道，用於研究空氣流經物體所產生的氣動效應，在一密閉的 管狀通道，由風扇吸入大量氣流，經精密控制氣流量等因素。

(五) 防風網用於減風與破風

農業生產常利用北面、山谷間隙或地形風行進方向種植防風林、圍設阻（破）風設施 等，將強風減為弱風。

圖 4、取自臺中區農情月刊【第一四五期】

三、實驗規劃與設計

(一)、設計、模擬自然風的風速與風向的風洞裝置。

第一代風洞使用瓦楞板製作，它的優點是材料取得方便又便宜且做出的成品較輕搬 運方便，但是我們馬上遇到了問題，由於它裡面的結構是由許多條狀組成的，導致我們 在切割斜線時不易切割，所以割得凹凹凸凸的，讓風洞在黏接的時候有很多的洞，容易 造成實驗誤差，以及無法觀察煙流過牆面的狀況，最後決定設計第二代風洞。

圖 5、瓦楞板剖面圖

圖 6、一代風洞

第二代風洞我們使用壓克力板做，這個材料比一代風洞的堅固，雖然切割需要特殊的

切割刀，且切割所需的時間也較長，一開始用一般的黏著劑來黏接，但是它的效果不佳 黏不太起來，於是換了一種黏著劑，效果就好了很多。但是在開始做實驗後發現，由於 風洞的長度過長所以不便操作，我們就決定直接把風洞切得更短，在要拍煙流的照片時 發現一開始貼來遮光用的隔音棉，忘記留一個觀察口我們就把多餘的隔音棉撕掉留了一 個觀察口。

圖 7、二代風洞模型

(二)、設計可視化的風洞煙霧氣流與防風設施製作。

剛開始我們嘗試用水霧來製作，但水霧持續時間不長，而且不夠明顯，後來我們使用線 香來製作可視化煙霧，煙的效果有變好，但線香的煙量不好控制，且味道會影響呼吸，所以 我們就嘗試不同的方法。後來看到網路上有賣製造大量煙霧的機器，於是利用吹風機當加熱 器，裝入加棉花後灌入甘油和水，就成功的做出了可以產生清楚又持久煙霧的機器，不過剛 開始的時候因為還不清楚甘油的比例，結果因為棉花太乾吹風機就燒起來了，經過幾次實驗 後就掌握了甘油和水的比例為 1:1 最佳，步驟如下表 3

。

拆開吹風機 熱絲上放棉花加甘油 把吹風機放入集煙箱 噴煙測試 表 3、吹煙機的製作流程

圖 8、可視化煙流風向圖

透過上圖 8 各防風設施的實驗，可以清楚觀察風經過牆面的流動狀況，以及牆後煙是否 會產生渦流或是很快的將煙導致後方出風口，經實測後發現實體牆面的煙條經過橋面後，會 被抬升快速導流至後方，有孔洞的煙流會有部分被破壞，產生一些煙霧在牆後方。

(三)

透風率公式:可透過之面積 ÷ 總面積 x 100%

柵欄（疏,透風率:61%） 柵欄（密,透風率:53%） 圓孔牆面(透風率:37%)

三角形 兩個三角形 圓弧

網子（六角，透風 率:61%）

網子（防滑墊，透風 率:32%）

網子（肥皂套，透風 率:93%）

表 4、防風設施表 (四)探討風速與牆後距離與受風角度對阻風效果的影響 1.調整實驗風速並測量初始風速

2.放置待測防風牆類型 3.測量牆後距離的風速差異 4. 測量受風角度的風速差異 5.紀錄各項風速實驗數據

表 5、防風設施風速測試實驗過程

伍、研究結果與討論

(一)、探討風速與牆後距離對阻風效果的影響

防風率=初始風速-牆後風速÷初始風速 x100%

柵欄(密)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 20 25

2.5 42 40 24

3 40 33 40

3.5 49 40 37

柵欄(疏)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 20 15 15

2.5 28 24 16

3 27 27 23

3.5 34 34 29

表 6、風向 90°柵欄與阻風效果分析表

圓孔牆面

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 50 80 40

2.5 48 76 40

3 53 57 40

3.5 51 54 49

圖 9、風向 90°柵欄與阻風效果分析圖

討論: 由表 6 可知，圓孔牆面和柵欄(密)在各風速、距離下的防風效果都明顯比和柵欄(疏)好 ，而圓孔牆面的防風效果最高可達 80%。

結論: 圓孔牆面之透風率較低，因此防風率較佳，使用圓孔牆面來防風可以擋掉最多的風。

三角形

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 80 40

2.5 100 76 40

3 67 57 40

3.5 63 54 49

兩個三角形

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 40 35 40

2.5 40 32 40

3 33 50 40

3.5 43 54 43

表 7、風向 90°平面牆與阻風效果分析表

圓弧

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 60 25

2.5 68 44 20

3 77 43 23

3.5 66 49 29

圖 10、風向 90°平面牆與阻風效果分析圖

討論: 由表 7 可知，完全密封、沒有孔隙的牆幾乎都可以把所有的風都擋下來，而離牆距離 越近，防風效果越好，三角形和圓弧形的牆面防風率最高可達 100%。

結論: 三個平面牆當中，三角形牆面所擋掉的風幾乎是最多的，圓弧牆面則為其次，而兩個 三角形的防風效果雖然比其他兩者弱，但防風率卻是最穩定的。

網子(六角)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 30 30

2.5 28 28 32

3 37 37 33

3.5 40 43 40

網子(防滑墊)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 100 100

2.5 100 100 56

3 100 100 70

3.5 100 74 63

表 8、風向 90°網狀牆與阻風效果分析表

網子(肥皂套)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 25 30 25

2.5 28 32 32

3 30 30 30

3.5 37 34 29

圖 11、風向 90°網狀牆與阻風效果分析圖

討論: 防風效果最好的是防滑墊，其次是六角網子，最後是肥皂套網子。

結論: 防滑墊的防風效果可在距離較近的狀況，把風全部阻擋或破壞。

(二)、探討風速與風向角度的阻風效果的影響

柵欄(密)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 35 40

2.5 28 24 32

3 27 27 27

3.5 43 46 46

柵欄(疏)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 30 20

2.5 20 12 24

3 23 17 13

3.5 31 26 31

表 9、風向 45°柵欄與阻風效果分析表

圓孔牆面

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 40 35 35

2.5 40 32 20

3 47 37 30

3.5 46 40 34

圖 12

、

討論: 由上表可知，圓孔牆面在近距離的防風效果佳，可達防風效果 47%，但在遠距離時，

柵欄(密)的防風效果較佳，可達防風效果 46%。

結論: 在 45°風向的情況下，圓孔牆面防風效果佳的距離縮短了，而柵欄(密)的防風效果更穩 定。

三角形

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 50 20

2.5 44 40 16

3 57 37 20

3.5 100 100 54

兩個三角形

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 40 60 40

2.5 36 36 36

3 73 97 57

3.5 71 77 60

表 10、風向 45°平面牆與阻風效果分析

圓弧

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 60 35 20

2.5 52 12 8

3 73 30 20

3.5 100 49 43

圖 13

、

討論: 在 45°的風向下，三個實體牆的防風效果， 在風速 2.5m/s 時，三角形防風率也比圓弧 形高，在風速 3m/s 時，兩個三角形的防風效果較其他兩者佳。

結論: 三角形牆面的防風效果佳，但兩個三角形的防風率最穩定。

網子(六角)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 35 15 15

2.5 24 8 4

3 23 27 17

3.5 29 34 37

網子(防滑墊)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 50 35

2.5 48 28 20

3 33 33 27

3.5 71 51 40

表 11、風向 45°網狀牆與阻風效果分析表

網子(肥皂套)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 20 25

2.5 42 40 24

3 40 33 40

3.5 49 40 37

圖 14

、

討論: 防滑墊的防風效果在 20cm 和 30cm 距離時最佳，防風率達 50%，而肥皂套在 30cm 時 達 40%。

結論: 防滑墊的透風率最低，故能使中、近距離的風降低最多，但繞過的風在遠距離又集中 起來，所以遠距離時較肥皂套的防風效果差。

柵欄(密)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 35 40 40

2.5 24 20 28

3 30 30 30

3.5 40 46 49

柵欄(疏)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 25 30 25

2.5 16 12 28

3 27 23 13

3.5 23 26 29

表 12、風向 135°柵欄與阻風效果分析表

圓孔牆面

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 40 40 35

2.5 44 32 16

3 40 33 30

3.5 43 37 34

圖 15

、

討論: 在 135°的風向下，圓孔牆面在遠距離時的防風率明顯變差，而柵欄(密)的效果仍然不 錯。

結論: 在遠距離時，柵欄(密)的效果最佳，估計是因為在近距離時已經把風打散，不易持續 到遠距離。

三角形

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 50 25

2.5 40 36 16

3 60 40 17

3.5 100 100 49

兩個三角形

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 55 35

2.5 32 36 32

3 80 97 53

3.5 69 80 54

表 13、風向 135°柵欄與阻風效果分析表

圓弧

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 70 30 20

2.5 52 8 0

3 67 33 23

3.5 100 46 46

圖 16、風向 135°柵欄與阻風效果分析圖

討論: 如上圖 16 可知，可見在初始風速 3m/s 下，三角形和圓弧牆面的防風率明顯小於兩個 三角形。

結論: 兩個三角形能維持擋風效果較集中，防風效果優於另兩者。

網子(六角)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 30 10 15

2.5 24 8 4

3 23 30 17

3.5 31 34 40

網子(防滑墊)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 100 45 40

2.5 48 24 20

3 30 33 23

3.5 69 54 43

表 14、風向 135°柵欄與阻風效果分析表

網子(肥皂套)

初始風速 (m/s)

牆後距離

10cm 20cm 30cm

2 40 55 50

2.5 24 16 16

3 23 23 17

3.5 40 34 43

圖 17、風向 135°柵欄與阻風效果分析圖

討論: 如上圖 17 可知，可見在初始風速 3m/s 以上時，六角網子防風率呈上升趨勢，其餘先 降後升，肥皂套網子則防風效過較集中。

結論: 六角狀網子對越強的風有越好的防風趨勢。

(三)、比較防風設施類型對牆後距離的阻風效果

表 15、防風設施90°不同距離角度防風率比較表

圖 18、風向 90°防風設施類型與防風效果分析圖

討論: 由上表 15 可知，防滑墊平均防風效果可達 87%，三角形平均防風效果達 62%次之。

結論: 防滑墊透風率低，防風面積較大，破風效果好。

表 16、防風設施 135°不同距離角度防風率比較表

圖 19、風向 135°防風設施類型與防風效果分析圖

討論: 由上表 16 可知，在 10 公分處，三角形牆面和圓弧牆面的防風率可達 75%，而在 20 公 分處時，兩個三角形也有達到 70%，而 三角形牆面之防風率有 60%，位居第二。

結論: 實體牆面在 135°時整體防風率較佳。

表 17、防風設施 45°不同距離角度防風率比較表

圖 20、風向 45°防風設施類型與防風效果分析圖

討論: 由上表 17 可知在 10 公分處三角形和圓弧的防風效果最佳防風率可達 75%，而在 20 公

分處兩個三角形牆面之防風率則高達 70%，三角形牆面也有達到 60%。

結論: 實體牆面在 45°時較有孔洞的牆面防風效果佳。

(四) 、比較防風設施類型對風向角度的阻風效果

表 18、防風設施不同風向角度防風率比較表

圖 21、不同角度對防風設施的防風率總表

討論: 由上表 18 可知在 90 度時防滑墊的效果顯著高達 87%，但在其他角度下三角形牆 面 55%的及兩個三角形牆面的 59%、57%表現較佳。

結論: 防滑墊在 90 度正面迎風時效果最佳，但平均來說，三角形牆面與兩個三角形牆面 的防風效果較集中且穩定。

陸、結論

金門大橋即將在今年底完工，我們透過風洞的實驗，探討防風設施的類型和強風的關 係，得到了以下的結論：

1. 在製作風洞時，雖然瓦楞板切割跟黏接快速，但是做起來效果不好，用壓克力板即 使比較慢，可是幾乎沒有縫隙，也可加裝 LED 燈條，方便觀察煙霧流動。

2. 煙霧實驗中，嘗試用水霧、線香來製作，但效果都不好，後來利用吹風機加熱和風 速的功能，搭配等比例甘油汗水 1:1，即可以做出和噴煙機一樣的煙霧，也加裝煙 箱和導煙塑膠管，將煙收集在箱子裡，經過塑膠軟管將煙已條狀方式穩定送出，效 果非常清楚。

3. 比較防風設施類型對牆後距離的阻風效果實驗中，在風向 45 度和 135 度表現最好的 是三角形的牆面，圓弧形次之，這與金門大橋實際迎風角度較為吻合。

4. 從比較防風設施類型對風向角度的阻風效果實驗中，最好的是防滑墊在 90 度正面迎 風時，其次是三角形牆面。但以整體平均來說，三角形牆面與兩個三角形牆面的防 風效率都集中在 55%~62%之間，不會因為不同角度的風向而降低太多防風效果。

本次研究主要探討不同類型的防風設施對金門大橋的防風效果，未來建議可以研究不 高度和間隔以及更多形狀和材質的分析，找出最堅固且便宜有效的防風牆，保護橋上行 車的安全。

柒、參考資料與其他

一、防風柵透風間隙配置之研究·黃隆明·國立中興大學農林學報第 3 期 二、與風相抗衡-防風牆之探討(2004)·楊青峰.台中市

三、防風網降風特性及應用(2018)·楊素絲

四、金門地區防風保安林劃設之研究(2007)·邱祈榮·中華林學季刊 五、風殺竹塹--新竹市沙塵暴的探討·95 年科展·李抒敏·新竹市 六、強風逆境調適與防風網應用台中區農情月刊·145 期 七、中央氣象局颱風·取自

https://rdc28.cwb.gov.tw/TDB/public/wind_gust_statistics/

八、國道視窗·取自

https://www.freeway.gov.tw/Publish.aspx?cnid=1686

評語

組別：國中組 科別：地球科學

作品名稱：躲避風險－防風設施對金門大橋強風的檢討 名次：1

編號：Be-1 優點：

本件作品利用自製的簡易風洞與風速計等裝置，量測不同防風設施 對於降低風速的效果。作者採用不同的材質，透風率，風速，擺放 角度…等，分別量測結果，頗有實驗的精神。此過程中，也嘗試改 善製造煙霧的裝置。量測的其實就是材質的透風率。實驗項目頗 多。

建議：

1. 實驗過程中，作者嘗試改善製造煙霧的裝置，可以觀測到氣流的 流動，只是這似乎與風速的量測沒有太大關係。

2. 實驗能達到的風速偏低。雖然此研究由金門大橋抗風的能力發想 而來，也討論到季風或颱風的強陣風風速可達 20 m/s 以上，但實驗 的最高風速只有到 3.5 m/s，與實際情況落差很大。當然，簡易的 裝置可能很難接近實際強風風速的等級，但宜有所討論。

3. 依照本實驗的方法，降低風速的效果，其實就是跟材質的透風率 有關，越透風的效果就越差。所使用的材質，例如防滑墊…等，若 有實際照片會較佳。

4. 不同材質是否真的能夠用於抵抗實際的強風，或者在環保上是屬 於適當的材質，可能都應有一些討論較佳。

5. 表格中各資料格中的數字，其實是防風率。其定義在第一個表的 上方有寫，但表格都沒有說明其顯示內容就是防風率，此點應注 意。

6. 不同形狀的設施擋風效果也有差別，此是否與其面積大小有關？

7. 由於風洞的設計，氣流只能單一風向前進。所以，只能藉調整防 風設施的排列走向，分析當風向與其不垂直 (例如呈 45 ) 的差 異，此點也應有足夠說明。

8. 實驗如何進行，其實沒有解釋很清楚。