系統識別號 | U0002-0207202116391400 |
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DOI | 10.6846/TKU.2021.00052 |
論文名稱(中文) | 加速氣流對於二維圓柱模型之氣動力行為探討 |
論文名稱(英文) | Investigation on the Aerodynamic Behavior of Two-dimensional Circular Cylinder on Accelerating Flows |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 109 |
學期 | 2 |
出版年 | 110 |
研究生(中文) | 鄭名傑 |
研究生(英文) | Ming-Jie Zheng |
學號 | 609380182 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2021-06-15 |
論文頁數 | 95頁 |
口試委員 |
指導教授
-
羅元隆
共同指導教授 - 張正興 委員 - 傅仲麟 委員 - 吳杰勳 |
關鍵字(中) |
加速氣流 二維圓柱 非穩態 風壓實驗 |
關鍵字(英) |
Accelerating Flows Circular cylinder Non-stationary Pressure coefficient |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
自工業時代以來,持續的燃燒化石燃,使大氣溫度不斷上升,然而天氣變得更加極端,這意味著會有更猛烈的風暴、強風。這些天氣變化也帶來了挑戰。而台灣地區位處於熱帶地區,每逢夏季受熱帶氣旋影響,每年平均會出現三次以上的颱風侵襲,然而天災帶來的損失是極其重大,因此在結構物安全性及舒適性的考慮是不可或缺的。然而世界各地對於風載重之設計皆有一定程度之發展,有著相當多理論以及規範,不過皆是基於較穩定之風場狀況來進行探討,忽略許多實際存在於大自然中急劇變化的天氣現象,使得在設計上趨於保守。颱風、雷雨等急劇變化的天氣特性對於建築物之影響,將會是未來著重探討的項目之一。 本研究利用位於淡江大學風工程研究中心的主動控制型、開放式複數風扇風洞機具,探討當氣流在穩態流和急加速的變化下對於二維圓柱之氣動力現象;本研究主要分成四個部分進行實驗:(1)使用淡江複數風扇風洞模擬定常性流場風速範圍為4 m/s ~ 14 m/s以每1 m/s作為間隔,共有11種均勻風速剖面,與非定常性流場4 m/s加速至14 m/s,加速時間2s、4 m/s加速至14 m/s,加速時間5s兩種加速氣流場。(2)將圓柱模型放入上述(1)進行定常性以及非定常性之風洞試驗。完成上述(1)、(2)項實驗後,再進行(3)模型係數的探討,比較圓柱模型在不同的穩態流(低紊流)及加速氣流下的表面風壓分布特性及拖曳向、升力向風力係數的差異。(4)進而改變加速區間探討加速區間的變化是否會造成係數上的影響。數據分析上,透過比對算術平均(Arithmetic average)以及集合平均(Ensemble average)之概念,數據在定常性以及非定常性下的一致性以及正確性。針對渦散特性之探討則使用短時傅立葉轉換(STFT)。然而更進一步探討圓柱是否與深寬比1:1之方柱在非定常性流場下,模型表面風壓與風力係數是否有相同的現象發生,並討論加速區間的長短是否會因幾何形狀的關係而有不同的趨勢。 |
英文摘要 |
Since the industrial age, the continuous burning of fossil fuels has continuously increased the atmospheric temperature, also make weather more extreme, this means having more intense major storms and strong winds.These changes in weather pose challenges. Taiwan is located in the tropics, and it is affected by tropical cyclones in summer. There will be an average of three typhoons per year. causing extremely heavy losses. Therefore, it is indispensable to consider the safety and comfort of the structure. This study Investigation the aerodynamic behavior of the two-dimensional circular cylinder model excited by accelerating wind flows generated by the actively-controllable multiple fan wind tunnel at Tamkang university. The experiment has four phases. The first phase is to make a comparison test under steady flows; the second phase is to collect enough ensemble size of testing results under the accelerating flow. By comparing the concepts of Arithmetic average and Ensemble average, the consistency and correctness of the data under constant and unsteady nature. For the discussion of vortex characteristics, short-time Fourier transform (STFT) is used. However, we further explore whether the cylinder and the square column with an aspect ratio of 1:1 are in an unsteady flow field, and whether the wind pressure on the model surface and the wind coefficient have the same phenomenon, and whether the length of the acceleration interval will be affected by the geometry Relationships have different trends. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與方法 1 1.2 研究內容 2 1.3 論文架構 3 第二章 文獻回顧 5 第三章 理論背景 7 3.1 氣流經鈍體後行為 7 3.2 相似性原則 9 3.3 氣體流經圓柱流場特性 11 第四章 實驗設置與數據處理分析 13 4.1 風洞流程與實驗 13 4.2 實驗裝置介紹 16 4.3 訊號處理與數據處理 24 4.4 流場測量結果 33 第五章 實驗結果與討論 37 5.1 穩態流下之氣動力特性 37 5.2 加速氣流下之氣動力特性 53 第六章 結論與建議 66 6.1 結論 66 6.2 建議 67 參考文獻 68 附圖 70 附表 92 附錄A 93 表目錄 表 1不同風速之渦散頻率與史特赫數 51 表 2 不同加速方式 (Yang and Mason, 2019) 92 表 3 圓柱在不同雷諾數區間係數(取於Schewe G,1983) 92 圖目錄 圖3- 1圓柱在不同雷諾數下氣流的分離現象(取自Ansys Fluent.Theory Guide,2011) 11 圖4- 1實驗設備架設示意圖 13 圖4- 2風壓係數(取自Bearman,1992) 15 圖4- 3擾動風壓係數(取自Bearman,1992) 15 圖4- 4複數風扇風洞示圖 16 圖4- 5圓柱上視圖 17 圖4- 6佈點示意圖 17 圖4- 7 Cobra連接示意圖(擷取Cobra Probe) 18 圖4- 8 Cobra Probe 示意圖(擷取至Muhle,2018) 19 圖4- 9壓力訊號處理系統 21 圖4- 10壓力感應器模組(Module) 21 圖4- 11氣閥切換器 22 圖4- 12空氣瓶 22 圖4- 13塊接 22 圖4- 14同步測量示意圖 23 圖4- 15風速歷時 25 圖4- 16數據處理流程示意圖 27 圖4- 17集合平均示意圖 28 圖4- 18集合擾動示意圖 29 圖4- 19流場量測Cobra架設方式 33 圖4- 20剖面於Y=51、81cm處之平均風速剖面、紊流強度剖面、紊流長度尺度剖面 34 圖4- 21剖面於Y=66cm處之平均風速剖面、紊流強度剖面、紊流長度尺度剖面 34 圖4- 22 風速歷時dt=2s、dt=5s 35 圖4- 23 dt=2s、dt=5s無因次化加速度 35 圖5- 1風速4 m/s之平均風壓係數 38 圖5- 2風速5 m/s之平均風壓係數 38 圖5- 3風速6 m/s之平均風壓係數 39 圖5- 4風速7 m/s之平均風壓係數 39 圖5- 5風速8 m/s之平均風壓係數 40 圖5- 6風速9 m/s之平均風壓係數 40 圖5- 7風速10 m/s之平均風壓係數 41 圖5- 8風速11 m/s之平均風壓係數 41 圖5- 9風速12 m/s之平均風壓係數 42 圖5- 10風速13 m/s之平均風壓係數 42 圖5- 11風速14 m/s之平均風壓係數 43 圖5- 12 風速4 m/s到 14 m/s下擾動風壓係數 44 圖5- 13方柱在穩態流下平均阻力係數 45 圖5- 14方柱在穩態流下擾動風壓係數 46 圖5- 15方柱在穩態流下極值升力係數 46 圖5- 16方柱在穩態流下史特赫數 47 圖5- 17穩態流下4m/s到14m/s之阻力係數 48 圖5- 18圓柱在不同雷諾數下阻力係數 (莊禮賢, 尹協遠, 馬暉揚, 2009) 49 圖5- 19圓柱在4m/s到14m/s之擾動升力係數 50 圖5- 20圓柱在4m/s到14m/s之極值升力係數 50 圖5- 21圓柱在4m/s到14m/s之史特赫數 51 圖5- 22加速氣流下圓柱與方柱停滯點之風壓係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右) ,圓柱(上)、方柱(下)。 55 圖5- 23加速氣流下圓柱與方柱分離點之風壓係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右) ,圓柱(上)、方柱(下)。 56 圖5- 24加速氣流下圓柱與方柱背風面之風壓係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右) ,圓柱(上)、方柱(下)。 56 圖5- 25加速氣流下圓柱與方柱停滯點之擾動風壓係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右) ,圓柱(上)、方柱(下)。 57 圖5- 26加速氣流下圓柱與方柱分離點之擾動風壓係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右) ,圓柱(上)、方柱(下) 58 圖5- 27加速氣流下圓柱與方柱背風面之擾動風壓係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右),圓柱(上)、方柱(下)。 58 圖5- 28加速氣流下圓柱與方柱阻力係數(左)、dt=2s穩態流與加速氣流誤差百分比(右),圓柱(上)、方柱(下)。 60 圖5- 29加速氣流下圓柱與方柱之阻力係數 60 圖5- 30加速氣流下圓柱與方柱在dt=2s之集合擾動升力係數 61 圖5- 31加速氣流下圓柱與方柱在dt=2s、dt=5s之集合極值升力係數 61 圖5- 32加速氣流下圓柱體dt=2s隨時間變化之史特赫數 63 圖5- 33加速氣流下圓柱dt=2s之史特赫數 64 圖5- 34加速氣流下圓柱dt=5s之史特赫數 64 附圖 1不同流場與三個深寬比之係數(取自Masson,2019) 70 附圖 2各Case風速歷時(取自Masson,2019) 71 附圖 3各Case加速度歷時(取自Masson,2019) 71 附圖 4圓柱C1在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 72 附圖 5圓柱C2在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 72 附圖 6圓柱C3在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 73 附圖 7圓柱C4在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 73 附圖 8圓柱C5在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 74 附圖 9圓柱C6在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 74 附圖 10圓柱C7在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 75 附圖 11圓柱C8在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 75 附圖 12圓柱C9在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 76 附圖 13圓柱C10在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 76 附圖 14圓柱C11在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 77 附圖 15圓柱C12在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 77 附圖 16圓柱C14在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 78 附圖 17圓柱C13在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 78 附圖 18圓柱C15加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 79 附圖 19圓柱C16加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 79 附圖 20圓柱C17加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 80 附圖 21圓柱C18在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 80 附圖 22圓柱C19在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合風壓係數 81 附圖 23圓柱C1在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 81 附圖 24圓柱C2在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 82 附圖 25圓柱C3在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 82 附圖 26圓柱C3在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 83 附圖 27圓柱C4在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 83 附圖 28圓柱C6在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 84 附圖 29圓柱C7在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 84 附圖 30圓柱C8在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 85 附圖 31圓柱C9在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 85 附圖 32圓柱C10在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 86 附圖 33圓柱C11在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 86 附圖 34圓柱C12在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 87 附圖 35圓柱C13在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 87 附圖 36圓柱C14在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 88 附圖 37圓柱C15在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 88 附圖 38圓柱C16在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 89 附圖 39圓柱C17在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 89 附圖 40圓柱C18在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 90 附圖 41圓柱C19在加速氣流下dt=2s、dt=5s之集合擾動風壓係數 90 附圖 42小波濾波程式 91 附圖A- 1圓柱體迎風面 93 附圖A- 2圓柱體分離點前 93 附圖A- 3圓柱體分離點後 93 附圖A- 4加速氣流下圓柱dt=2s隨時間變化之風壓係數(-5~0秒) 94 附圖A- 5加速氣流下圓柱dt=2s隨時間變化之風壓係數(0~5秒) 95 |
參考文獻 |
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