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系統識別號 U0002-0408201410460200
中文論文名稱 各種地況之大氣邊界層特性研究
英文論文名稱 Characteristics of atmospheric boundary layers developed over various terrains
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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 黃國峰
研究生英文姓名 Kuo-Feng Huang
學號 600380090
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-03
論文頁數 115頁
口試委員 指導教授-鄭啟明
委員-陳若華
委員-王人牧
中文關鍵字 風洞實驗  大氣邊界層  標準地況  複雜地形 
英文關鍵字 wind tunnel  atmospheric boundary layer  standard terrain  complex terrain 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 隨著科技的發展、醫學的進步,人口有逐漸成長的現象,但需要在有限的土地上求生活空間,所以建築物有向上發展的趨勢,加上政府近年來推動都市更新的計畫,都市中存在著越來越多的高層建築。高層建築除了受到地震力的影響,對風力的敏感程度也會增加,因此耐風設計對結構物的反應是高層建築設計裡重要的一環。在風工程研究中,無論是風洞實驗、數值模擬,最主要的目的都是在實場上的耐風設計及風環境評估,例如相鄰建築物間風力的相互作用,與建築物周遭環境的行人風場,皆與生活品質與居住安全有著密不可分的關係,而台灣地區颱風所造成之財物損失,位居台灣所有天然災害的第一位,解決的方法唯有對風場行為有完整的了解,才能以工程的手段來降低風災對工程設施的破壞,進而提高人類居住環境的品質。因此,風工程儼然成為一門重要的課題。但實場量測儀器昂貴,所量測數據非常有限,因此可以利用風洞實驗所做出來的結果去補足在實場中無法量測到的資料數據,做為設計及評估上的參考。本研究以風洞模擬實驗為主分作兩個部分,一為符合標準地況自然風場之風洞模擬,在實場量測中我們不易得知大氣邊界層真實的紊流特性,透過風洞實驗的結果,我們能更了解該地況的邊界層特性。但如果要進行一個真實地況的大氣邊界層模擬,在製作地況縮尺模型上需要耗費大量的人力、物力。本研究希望能將真實地物,以一簡單的方法、公式模擬成均勻方塊的粗
糙元素,代替原實場地形來進行風洞實驗,以節省許多的經費與時間,此為
符合標準地況自然風場之風洞模擬。二為複雜地形自然風場之風洞模擬,由於台灣地窄人稠,各地形皆相鄰,許多建物皆建築在山坡、山腳上,大氣邊界層特性實為複雜,亦與各國不同,本研究最終以台灣北部淡水北投一帶大屯山系山腳一處俗稱小坪頂的山區平地,為綜合型的複雜地形場址,加上前述的符合標準地況自然風場之風洞模擬,以進行了解台灣本地的大氣邊界層特性,進而建立出適合台灣本地的耐風設計規範及風洞實驗技術。
英文摘要 The simulation of turbulence boundary layers in this study can be divided into two parts. The first part is simulation of flow field developed over terrains that compliance with the definitions of the terrain categories in the building wind code. Since current field measurements can only provide reliable mean wind speed profile. Properly simulated turbulence boundary layer is the best and only viable means to acquire turbulence features of the atmospheric boundary layers. Besides simulating flow fields via scaled terrain models, the thesis further studied the procedure to develop equivalent floor roughness elements to generate turbulent boundary layers over urban, suburban and open terrains. The second part of this thesis is the wind tunnel simulation of wind field over complex terrain. A 1/5000 mountainous terrain model centered at Xiaopingding, tamsui in the northeastern corner of Taiwan was built. Wind tunnel measurements were then compared with field measurement of Lidar and numerical simulation by LES. The initial result indicates that wind tunnel simulation of rugged terrain has its limitations. In real life, hills and mountains are not homogenous terrains. The shape and geographic lay out of high mountains would significantly distort the approaching flow. This geographic effect can be extremely difficult properly simulated in a fixed sized wind tunnel test section. More works need to be done in this subject.
論文目次 目錄
第1章、 緒論 1
1.1. 前言 1
1.2. 研究動機與目的 1
1.3. 研究方法 2
1.4. 研究流程 3
1.5. 論文架構 4
第2章、 文獻回顧 5
2.1. 大氣邊界層流場之風洞模擬 5
2.1.1. 雷諾數效應 6
2.1.2. 風洞實驗之阻塞效應 7
2.2. 粗糙元素 8
2.3. 粗糙元素的間隔對流場的影響 8
2.4. 流場發展長度的限制 10
2.5. 粗糙長度 10
2.5.1. 實場對於粗糙長度的估算公式 11
2.5.2. 粗糙元素對於粗糙長度的估算公式 11
2.6. 零平面高度 13
2.7. 粗糙長度與α值的關係 14
2.8. 本國規範 15
第3章、 理論背景 16
3.1. 大氣邊界層紊流特性 16
3.2. 風速剖面 17
3.3. 紊流強度 19
3.4. 紊流長度尺度 20
3.5. 紊流頻譜 21
3.6. 空間相關函數 23
3.7. 陣風因子 24
第4章、 實驗儀器與量測方法 25
4.1. 風洞實驗室 25
4.2. 大氣邊界層流場之模擬 26
4.3. 風洞實驗測量儀器 27
4.3.1. 測量儀器-熱膜探針 27
4.3.2. 測量儀器- 4孔式壓力感測器 28
4.4. 實驗數據及採樣分析 29
4.5. 可攜式風速遙測系統-光達 31
4.5.1. 光達系統 31
4.5.2. 數據採樣 32
第5章、 前期實驗研究 34
5.1. 自然風場之實場量測 34
5.1.1. 符合標準地況自然風場之實場量測 34
5.1.2. 複雜地形自然風場之實場量測 40
5.2. 大氣邊界層之風洞模擬 43
5.2.1. 都市地況測點之風洞縮尺模擬 43
5.2.2. 設計粗糙元素 43
5.2.3. 鄉鎮地況與開闊地況測點 46
5.3. 複雜地形之數值模擬 49
5.3.1. 地形數值資料 49
5.3.2. 複雜地形繪製 50
5.3.3. 數值模擬 51
5.3.4. 風洞試驗與數值模擬比較 53
5.3.5. 後續研究 54
第6章、 符合標準地況自然風場之風洞模擬 55
6.1. 實驗設計 55
6.2. 都市地況 58
6.2.1. 量測內容 58
6.2.2. 模擬修正及結果數據比較 61
6.3. 鄉鎮地況 64
6.3.1. 量測內容 64
6.3.2. 模擬修正及結果數據比較 68
6.4. 開闊地況 71
6.4.1. 量測內容 71
6.4.2. 模擬修正及結果數據比較 75
6.5. 小結 78
第7章、 複雜地形自然風場之風洞模擬 79
7.1. 第一階段 81
7.1.1. 實驗設置 81
7.1.2. 實驗結果及數據比對 82
7.2. 第二階段 84
7.2.1. 實驗設置 84
7.2.2. 實驗結果及數據比對 87
7.3. 第三階段 95
7.3.1. 實驗設置 95
7.3.2. 實驗結果及數據比對 96
7.4. 討論 98
7.5. 小結 98
第8章、 結論與建議 99
8.1. 結論 99
8.2. 建議 101
參考文獻 102
附錄A 106
附錄B 111
附錄C 114
附錄D 115


圖目錄
圖 2-1 Isolated roughness flow 8
圖 2-2 Wake interference flow 8
圖 2-3 Skimming flow 8
圖 2-4 順風向紊流強度與表面積密度關係圖 9
圖 2-5 順風向紊流強度剖面 9
圖 2-6 發展長度示意圖 10
圖 2-7 粗糙長度(z0)與α值的關係圖 14
圖 3-1 邊界成形成示意圖(1) 16
圖 3-2 邊界成形成示意圖(2) 16
圖 3-3 m與z0關係圖 21
圖 4-1 淡江大學一、二號風洞實驗室平、立面圖 25
圖 4-2 擾流板示意圖 26
圖 4-3 決定擾流板之高度與寬度之經驗曲線 26
圖 4-4 Cobra probe全體圖 28
圖 4-5 Cobra probe探頭風向分量說明 29
圖 4-6 Cobra probe探頭風向角度說明 29
圖 4-7 不同類型的光達掃描策略 31
圖 4-8 VAD法之示意圖 32
圖 4-9 宜蘭光復國小十分鐘平均風速剖面圖 33
圖 4-10 宜蘭新南國小十分鐘平均風速剖面圖 33
圖 5-1 A地況量測位置 35
圖 5-2 B地況量測位置 36
圖 5-3 C地況量測位置 36
圖 5-4 A地況每小時平均所得之風速剖面(a)季風(b)颱風 38
圖 5-5 B地況每小時平均所得之風速剖面(a)季風(b)颱風 39
圖 5-6 C地況每小時平均所得之風速剖面(a)季風(b)颱風 39
圖 5-7 複雜地形量測位置 40
圖 5-8 複雜地形東北季風SNR訊噪比 41
圖 5-9 複雜地形東北季風 風速剖面 41
圖 5-10 複雜地形東北季風 風速歷時 42
圖 5-11 複雜地形東北季風 風向歷時 42
圖 5-12 都市地況測點之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 44
圖 5-13 都市地況測點之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 45
圖 5-14 均勻粗糙元素模擬之風速頻譜 (a)100m (b)240m (c)450m) 46
圖 5-15 鄉鎮地況測點之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 47
圖 5-16 鄉鎮地況測點之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 47
圖 5-17 開闊地況測點之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 48
圖 5-18 淡水小坪頂位置 49
圖 5-19 網格繪製示意圖 51
圖 5-20 風洞試驗與數值模擬 (a)西北風 (b)東北風 53
圖 5-21 逼近流之風速與紊流強度剖面 54
圖 6-1 粗糙元素轉換、符號示意圖 57
圖 6-2 都市地況千分之一數值地形圖 模擬範圍 58
圖 6-3 都市地況縮尺模型 58
圖 6-4 擾流板尺寸配置圖(一) 59
圖 6-5 擾流板尺寸配置圖(二) 59
圖 6-6 擾流板尺寸配置圖(三) 59
圖 6-7 無因次化風速剖面比對 59
圖 6-8 都市地況均勻粗糙元素 61
圖 6-9 都市地況之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 62
圖 6-10 都市地況之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 62
圖 6-11 都市地況縮尺模擬之風速頻譜 (a)z=90m (b)285m (c)480m 63
圖 6-12 均勻粗糙元素模擬之風速頻譜 (a)z=90m (b)285m (c)480m 63
圖 6-13 都市地況測點之空間相關性 63
圖 6-14 鄉鎮地況千分之一數值地形圖 模擬範圍 64
圖 6-15 鄉鎮地況縮尺模型 64
圖 6-16 擾流板尺寸配置(一) 65
圖 6-17 擾流板尺寸配置(二) 65
圖 6-18 擾流板尺寸配置(三) 66
圖 6-19 無因次化風速剖面比對 66
圖 6-20 紊流尺度剖面比對 66
圖 6-21 鄉鎮地況均勻粗糙元素 68
圖 6-22 鄉鎮地況之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 69
圖 6-23 鄉鎮地況之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 69
圖 6-24 鄉鎮地況縮尺模擬之風速頻譜 (a)z=60m (b)210m (c)360m 70
圖 6-25 均勻粗糙元素模擬之風速頻譜 (a)z=60m (b)210m (c)360m 70
圖 6-26 鄉鎮地況測點之空間相關性 70
圖 6-27 開闊地況千分之一數值地形圖 模擬範圍 71
圖 6-28 開闊地況縮尺模型 71
圖 6-29 擾流板尺寸配置(一) 72
圖 6-30 擾流板尺寸配置(二) 72
圖 6-31 擾流板尺寸配置(三) 73
圖 6-32 無因次化風速剖面比對 73
圖 6-33 紊流強度剖面比對 73
圖 6-34 開闊地況均勻粗糙元素 74
圖 6-35 開闊地況之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 76
圖 6-36 開闊地況之平均風速、紊流強度與紊流尺度剖面 76
圖 6-37 縮尺模擬(有河堤)之風速頻譜 (a)z=60m (b)165m (c)270m 76
圖 6-38 縮尺模擬(無河堤)之風速頻譜 (a)z=60m (b)165m (c)270m 77
圖 6-39 均勻粗糙元素模擬之風速頻譜 (a)z=60m (b)165m (c)270m 77
圖 6-40 開闊地況之空間相關性 77
圖 7-1 複雜地形量測位置地形圖 79
圖 7-2 複雜地形模擬範圍、測點及大屯山系相關位置示意圖 80
圖 7-3 複雜地形1/5000縮尺模型 81
圖 7-4 複雜地形剖面圖 81
圖 7-5 2003年~2013年 淡水氣象站風向風花圖 82
圖 7-6 東北來風向 風速剖面、紊流強度、紊流尺度 82
圖 7-7 東北來風向 總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 82
圖 7-8 西北來風向 風速剖面、紊流強度、紊流尺度 83
圖 7-9 西北來風向 總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 83
圖 7-10 西北風、東北風 風速剖面比對 83
圖 7-11 延伸地形、過渡段配置示意圖 84
圖 7-12 北北東(22.5°)過渡段實際安裝示意圖 85
圖 7-13 鼓浪嶼氣象站近十年各月風花圖 85
圖 7-14 東北(45°)地表粗糙度改善示意圖 86
圖 7-15 配置一、二 風速、紊流強度、紊流尺度、總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 87
圖 7-16 配置三、四 風速、紊流強度、紊流尺度、總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 88
圖 7-17 配置一、三 風速、紊流強度、紊流尺度、總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 89
圖 7-18 配置二、四 風速、紊流強度、紊流尺度、總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 90
圖 7-19 配置二、五 風速、紊流強度、紊流尺度、總體紊流強度、風向角、風攻角剖面 91
圖 7-20 東北風 風洞實驗與數值模擬風速剖面比對 92
圖 7-21 空風洞風速發展剖面 93
圖 7-22 空風洞A點無側板 風速、紊流強度、紊流尺度 風向角、風攻角剖面 93
圖 7-23 空風洞B點無側板 風速、紊流強度、紊流尺度 風向角、風攻角剖面 94
圖 7-24 空風洞B點模型設置示意圖 95
圖 7-25 地形模型加6cm端版設置示意圖 95
圖 7-26 端版前緣無因次化風速剖面圖 (●:距前緣40 cm ○:60 cm ▲:80 cm △:100 cm) 96
圖 7-27 端版前緣總體紊流強度、紊流尺度、風向角、風攻角剖面 (●:距前緣40 cm ○:60 cm ▲:80 cm △:100 cm) 96
圖 7-28 第三階段 風速、紊流強度、紊流尺度 風向角、風攻角剖面 97

表目錄
表 3-1 Simiu 粗糙長度與地形對照表 17
表 3-2 John D.Holmes 粗糙長度與地形對照表 17
表 3-3 α、δ與地形分類對照表 18
表 3-4 地表粗糙長度與β關係表 19
表 3-5 同時間長度之c(t)值 24
表 5-1 實場監測所得之平均風速剖面 39
表 5-2 淡江大學台北校園測點風場模擬之地表粗糙元素 44
表 6-1 都市地況之各項參數資料修正 61
表 6-2 鄉鎮地況之各項參數資料修正 68
表 6-3 開闊地況之各項參數資料修正 75
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論文使用權限
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