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系統識別號 U0002-0209200913492800
中文論文名稱 二維矩柱橫風向氣彈效應之參數識別
英文論文名稱 Identification of Aero-Elasticity for Two-Dimensional Rectangular Cross-Sections
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 張峯榮
研究生英文姓名 Feng-Jung Chang
學號 696380590
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-15
論文頁數 74頁
口試委員 指導教授-吳重成
委員-陳若華
委員-陳振華
委員-鄭啟明
中文關鍵字 高層建築  風洞試驗  參數識別  最佳化  Scrouton數  線性氣動力阻尼  非線性氣動力阻尼  氣動力勁度 
英文關鍵字 high-rise building  wind tunnel test  parameter identification  optimization  Scrouton number  linear aerodynamic damping  non-linear aerodynamic damping  aerodynamic stiffness 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 由於人口增加以及土地取得不易,欲增加建築物使用空間,必然要增加建築物的高度,所以高層建築已經成為都市發展的趨勢。由於高度高導致結構的勁度較小,加上輕質建築材料之使用,對空氣動力的影響也較為敏感,其風力效應不可忽略。
一般而言,風洞試驗為探討風力效應之最直接且信賴之方法。本文主要目標為利用風洞試驗量測二維結構在不同風速下所產生的橫風向振動反應,進行氣動力參數識別研究。首先根據文獻推導二維結構在橫風向形成鎖定時之理論解。理論解顯示氣動力參數之值除了受外型與約化風速影響外,亦和無因次密度(mr)及Scrouton數有關。然後利用理論解推衍出之方法--追蹤共振法進行氣動力參數識別。再者,為更改善識別之精確度,將追蹤共振法識別出的參數值當做最佳化之初始值代回理論解,在時域與實驗值比較,進行最佳化的曲線擬合,進而得到更精確的參數識別結果。
本研究使用三組不同的斷面模型進行識別實驗,分別為方型斷面、矩形斷面(BD=1/2)及矩形斷面(BD=1/3)。每種斷面以不同密度分類,密度範圍為200~300kg/m3。為增加實驗結果可靠度,在每個風速下均進行試驗兩到三次,以上述之追蹤共振法與時域最佳化的曲線擬合法進行參數識別。識別結果顯示,當形成鎖定時,橫風向振幅隨約化風速增加而增大,而後方型斷面會趨於定值,矩形斷面(BD=1/2及BD=1/3)則在高風速後段有微降現象。在氣動力參數方面,方型斷面之線性氣動力阻尼Y1、非線性氣動力阻尼ε及氣動力勁度Y2均隨約化風速增加而減小;矩形斷面(BD=1/2及BD=1/3) 之線性氣動力阻尼Y1大致隨約化風速增加而減小,唯在高風速後段有微升現象,其非線性氣動力阻尼ε大致隨約化風速增加而呈現增加趨勢,唯在高風速後段有微降現象,氣動力勁度Y2則隨約化風速增加呈一致性遞減。
英文摘要 Due to population growth in limited lands, the demanding usage of space has begot the construction of high-rise buildings in many modernized cities. As the lessened structural stiffness accompanied with the use of newly developed light materials, their susceptibility to wind excitation is obvious and the induced aerodynamic effect has become inevitably important.
In general, wind tunnel tests are the most reliable approach to investigate the aerodynamic effect. The objective of this study is to identify the aerodynamic parameters of two-dimensional structures by measuring the across-wind responses in the wind tunnel tests. The analytical solution in the lock-in stage was firstly derived according an existent literature, and it shows that the aerodynamic parameters are not only functions of the section shape and reduced wind velocity but also functions of the non-dimensional density (mr) and Scrouton number. Secondly, the Trace-Resonance method was further derived from the analytical solution and will be used for the identification of the aerodynamic parameters. To improve the accuracy in the results, the optimization of the curve-fitting for experimental and analytical response in time domain by using the previously obtained parameters as the initial guess will be performed to finalize the results of identification.
Three different section shapes were used in the wind tunnel tests for identification. They are square section, rectangular section (BD=1/2) and rectangular section (BD=1/3). Each section was further categorized by density which varies from 200 to 300kg/m3. Each test was performed twice or three times for increasing experimental reliability, and the identification procedures were processed accordingly. From the identified results, the following conclusions have been observed. In the lock-in stage, the across-wind amplitude increases with the reduced wind velocity, and then approaches to a constant for the square sections but slightly goes down for rectangular sections. For square sections, the aerodynamic parameters (including linear and nonlinear aerodynamic dampings Y1 and ε and aerodynamic stiffness Y2) decrease as the reduced wind velocity increases. For rectangular sections (BD=1/2 and BD=1/3), the linear aerodynamic damping Y1 decreases with the reduced velocity increased but a slight rise-up in the tail; the nonlinear aerodynamic damping ε increases with the reduced velocity but a slight decay in the tail; and the aerodynamic stiffness Y2 decreases with the reduced velocity increased.
論文目次 目錄
第一章 緒論……………………………………………………………1
1-1 前言……………………………………….……………………1
1-2 研究動機及目的……..……………………………….………..1
1-3 研究內容………………………………………………………1
1-4 研究方法………………………………………………………2
1-5 論文架構………………………………………………………2
第二章 文獻回顧………………………………………………………4
2-1氣動力與氣彈力現象…………………………….…………….4
2-1-1 扭轉發散……………………………………………….5
2-1-2 顫振…………………………………………………….5
2-1-3 抖振…………………………………………………….6
2-1-4 風馳效應……………………………………………….7
2-1-5 渦散顫動……………………………………………….7
2-2 橋梁風洞試驗注意事項…………………………...…………..8
2-3-1 阻塞比……………………………………………….…9
2-3-2 雷諾數效應………………………………………….…9
2-3-3 結構氣彈力模型相似律…………………………...…10
第三章 理論背景……………………………………………………..12
3-1 二維結構理論模式簡介……………………………...………13
3-2 自限運動模式………………………...………………………20
3-3 鎖定發生時之結構反應………...……………………………21
3-4 追蹤共振法…………………………………………………...18
3-4-1 參數Y1和ε之識別…………………………………..18
3-4-2 參數Y2之識別……………………………………….20
3-5 參數之平均…………………………………………………...20
3-6 氣動力參數之最佳化理論…………………………………...20
第四章 實驗設置與數據分析………………………………………..23
4-1 平滑流風洞…………………………………………………...23
4-2 流場…………………………………………………………...23
4-3 實驗架構……………………………………………………..24
4-4 模型設計……………………………………………………..24
4-5 實驗儀器……………………………………………………..24
4-6 實驗量測……………………………………………………..25
4-6-1 風速量測……………………………………………...25
4-6-2 位移量測……………………………………………...25
4-7 實驗內容……………………………………………………..26
4-7-1 模型架設……………………………………………...26
4-7-2 數據採樣……………………………………………...26
4-7-3 數據分析……………………………………………...27
4-8 分析流程……………………………………………………..27
4-8-1 結構物系統識別……………………………………..27
4-8-2 氣動力參數識別……………………………………..27
4-8-3 最佳化識別參數……………………………………..28
第五章 實驗結果與討論…………………………………………….36
5-1 實驗位移反應………………………………………………..37
5-2 實驗、理論及最佳化之時間歷時…………………………..38
5-3 參數識別……………………………………………………...38
第六章 結論與未來展望…………………………………………….72
第七章 參考文獻……………………………………………………..73
表目錄
表4-1 模型斷面特性…………………………………………………29
表5-1 斷面模型發生鎖定時之風速及雷諾數範圍……………........39

圖目錄
圖3-1 衰減共振與遞增共振歷時圖…………………………………..……22
圖3-2 參數平均之區段劃分圖……………………………………….……22
圖4-1 淡江大學第一風洞實驗室配置圖……………………………………30
圖4-2 方形斷面………………………………………………….….……31
圖4-3 BD1/2矩形斷面模型……………………………………….….……31
圖4-4 BD1/3矩形斷面模型……………………………………….….……32
圖4-5 皮托管…………………………………………………….………32
圖4-6 壓力轉換器………………………………………….…….………33
圖4-7 壓力放大器CD-23…………………………………………….……33
圖4-8 OROS資料擷取系統…………………………..…………….………34
圖4-9 雷射位移計……………………………………….……….………34
圖4-10 實驗架構圖………………………………………………………35
圖4-11 識別流程圖………………………………………………………35
圖5-1 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)無因次振幅與約化風速關係圖……………………………………………………………………..…40
圖5-2 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)無因次振幅與約化風速關係圖
…………………………………………………………………….……40
圖5-3 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)無因次振幅與約化風速關係圖
………………………………………………………………….………41
圖5-4 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)無因次振幅與約化風速關係圖……………………………………………………………….………41
圖5-5 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)無因次振幅與約化風速關係圖………………………………………………………….……………42
圖5-6 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)無因次振幅與約化風速關係圖…………………………………………………………….…………42
圖5-7 Model(BD1/3, Scr = 0.4279, 0.002896)無因次振幅與約化風速關係圖…………………………………………………………..…………43
圖5-8 Model(BD1/3,Scr=0.3849, 0.003475)無因次振幅與約化風速關係圖……………………………………………………………….………43
圖5-9Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)低風速振幅歷時比較圖 ………………………………………………………………………44
圖5-10 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)高風速振幅歷時比較圖 ………………………………………………………………………44
圖5-11 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)低風速振幅歷時比較圖 ……………………………………………………………….………45
圖5-12 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)高風速振幅歷時比較圖 ………………………………………………………………………45
圖5-13 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)低風速振幅歷時比較圖 ……………………………………………………………….………46
圖5-14 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)高風速振幅歷時比較圖
………………………………………………………………..…………46
圖5-15 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)低風速振幅歷時比較圖
…………………………………………………………………..………47
圖5-16 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)高風速振幅歷時比較圖
………………………………………………………………….….……47
圖5-17 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)低風速振幅歷時比較圖
…………………………………………………………………..………48
圖5-18 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)高風速振幅歷時比較圖
………………………………………………………………..…………48
圖5-19 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)低風速振幅歷時比較圖 ……………………………………………………………….………49
圖5-20 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)高風速振幅歷時比較圖 ……………………………………………………………….………49
圖5-21 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)低風速振幅歷時比較圖 …………………………………………………………….…………50
圖5-22 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)高風速振幅歷時比較圖 ………………………………………………………….……………50
圖5-23 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)氣動力參數 與約化風速關係圖………………………………………………………………...………51
圖5-24 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………….…………51
圖5-25 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)氣動力參數 與約化風速關係圖………………………………………………………………...………52
圖5-26 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………….………………52
圖5-27 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………...…………53
圖5-28 Model(BD1,Scr=0.3315, 0.003893)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………………………53
圖5-29 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………..…………54
圖5-30 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………….…………………54
圖5-31 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………..……………55
圖5-32 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線………………………………………….……………………55
圖5-33 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………..……………56
圖5-34 Model(BD1,Scr=0.4268, 0.003597)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………………………56
圖5-35 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………...…………57
圖5-36 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線………………………………………………….……………57
圖5-37 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………..……………58
圖5-38 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線………………………………………….……………………58
圖5-39 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………..…………59
圖5-40 Model(BD1,Scr=0.3499, 0.003527)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………………………59
圖5-41 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………...…………60
圖5-42 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………….…………60
圖5-43 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)氣動力參數 與約化風速關係圖
……………………………………………………………………..……61
圖5-44 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………….…………61
圖5-45 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)氣動力參數 與約化風速關係圖………………………………………………………………...………62
圖5-46 Model(BD1,Scr=0.439, 0.002939)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………….…………62
圖5-47 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………………...…63
圖5-48 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………….…………63
圖5-49 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………………...……64
圖5-50 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………….………64
圖5-51 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………………..…65
圖5-52 Model(BD1,Scr=0.7326, 0.002153)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………………………65
圖5-53 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)氣動力參數 與約化風速關係圖………………………………………………………………...……66
圖5-54 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………….……66
圖5-55 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………………..…67
圖5-56 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………………67
圖5-57 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)氣動力參數 與約化風速關係圖………………………………………………………………….……68
圖5-58 Model(BD1/2,Scr=0.3024, 0.003779)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線………………………………………………………………68
圖5-59 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)氣動力參數 與約化風速關係圖……………………………………………………………..………69
圖5-60 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線………………………………………………..……………69
圖5-61 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………………...…70
圖5-62 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線……………………………………………………………70
圖5-63 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)氣動力參數 與約化風速關係圖…………………………………………………………...…………71
圖5-64 Model(BD1/3,Scr= 0.4279, 0.002896)氣動力參數 與約化風速關係之回歸曲線…………………………………………………….………71
參考文獻 1、Simiu, E.and Scanlan, R. H. , “Wind Effects on Structures, “John Wiley & Sons. (1986).
2、Kubo, Y., Miyazaki, M. and Kato, K., “Effects of end plates and blockage of structural members on drag forces” , Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol 32, pp.329-342, (1989).
3、高忠人, “紊流場中振動矩柱之尾跡現象研究”, 淡江大學水資源及環境工程研究所碩士論文, (1996).
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5、Scanlan, R.H., “On the state-of the art methods for calculations of flutter vortex-induced and buffeting response of bridge structures”, FHWA/RD-80/050, Nat. Tech. Information Service, Springfield, Va, (1981).
6、Ehsan, F. & Scanlan, R.H., “Vortex-induced vibration of flexible bridges”, J.Engrg. Mech., Vol 116(6), pp.1392 -1411, (1990).
7、Van der Pol, B., “A theory of the amplitude of free and forced triode oscillation”, Radio Review, I, pp.701, (1920).
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