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系統識別號 U0002-0709200616354500
中文論文名稱 利用風壓量測求取氣動力參數
英文論文名稱 Determination of Aerodynamic Coefficients of Bridge Decks Using Wind Pressure Distribution Measurements
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 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 徐佳煌
研究生英文姓名 Chia-Huang Hsu
學號 693310533
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-28
論文頁數 99頁
口試委員 指導教授-林堉溢
委員-陳振華
委員-鄭啟明
中文關鍵字 風力係數  顫振導數  頻譜  管線率定 
英文關鍵字 Aerodynamic coefficients  Flutter derivative  Spectra  Calibration 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本篇論文主要在研究矩形斷面之氣動力係數與氣彈力係數,主要在於量測平均風壓與振動模式下的位移,並利用其所得之外力與位移結果推導氣動力參數。在風壓量測方面,藉由了解模型表面壓力孔之壓力,可以推算模型之受力狀況,而利用位移量測則可以了解模型之振動行為,將外力與位移資料代入推導之公式,可以計算出所欲推求之氣動力參數,此方法應可以同時考慮橋體受力與振動反應下之行為。
本論文實驗分為兩大部分,其一為風壓量測實驗,另一為位移量測實驗,在氣動力實驗方面,主要是利用量測矩型斷面在平滑流場下之風壓數值,再利用壓力積分成外力後便可得到斷面所受的外力,經由數值計算便可得到所欲求的風力係數,經由探討風力係數之結果,可以觀察出橋體之運動與受力之行為,本實驗並針對不同風攻角探討其角度變化後的風力係數之趨勢。而氣彈力實驗方面,有別以往之位移分析模式,在本論文中加入了外力的變數,利用外力量測與位移量測的結果再代入自身擾動力的方程式,經由外力頻譜與位移頻譜計算則可以求得所欲求得顫振導數。
在實驗結果之探討方面,由風力係數實驗之結果,無論是拖曳向、垂直向、扭轉向係數都可以得到與力-位移量測計相似之趨勢,而在扭轉向係數方面有較為精確的結果。在顫振導數方面,主要之分析項目為風力頻譜與位移頻譜之計算,藉由頻譜的特性去探討各頻率點下之所有顫振導數之結果,並探討如何選擇適合之頻率點,以決定顫振導數之結果。在以風壓量測時,管線之率定為一重要之步驟,管線之率定可以改善因管線較長所造成訊號的扭曲,與訊號經時間傳遞所產生之相位改變。
英文摘要 The main objective of this thesis is to investigate the aerodynamic and the aeroelastic coefficients of the rectangular bridge deck by using the pressure measurements. The mean pressure distribution and the displacement of the bridge deck were measured when the deck was vibrated. The static force coefficients were obtained by measuring the mean pressure distribution as the bridge deck was stationary. As the bridge was vibrated, the flutter derivatives can be derived by using the relationship between the force and the displacement spectra.
There are two parts in the experiments. One is the measurement of mean pressure distribution and the other is the measurement of displacement. All the tests were conducted in smooth flow. In the aerodynamic experiment, the static coefficients can be obtained by integrating the pressure around the bridge deck. The effect of wind attack angle is also studied. In the aeroelastic experiment, the pressure and the displacement are simultaneously measured as the bridge deck model is in motion. The flutter derivatives can then be derived by using the relationship between the force spectra and the displacement spectra.
It can be seen that from the results of aerodynamic experiments, the trend of the static coefficients, including the drag, the lift and the torsional coefficients, is similar to those obtained from the load cell measurements. It should be mentioned that the torsional coefficient, especially in large wind attack angle, is more reasonable than that obtained from the load cell measurement. From the results of aeroelastic experiment, it can be inspected that the flutter derivatives obtained from this approach are not reasonable compared to those obtained from the classical test. The possible reason is that the force spectra measured not only include the self-excited force but also the turbulence in smooth flow. For better consistency, this method needs to be improved in the future.
論文目次 目次
ABSTRACT: II
第1章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 研究內容 2
1-4 研究方法 3
1-5 本文架構 3
第2章 文獻回顧 5
2-1 實驗量測效應 5
2-1-1 風洞實驗之雷諾數效應 5
2-1-2 風洞實驗之阻塞效應 5
2-1-3 管線失真 6
2-2 風壓分佈影響 6
2-2-1 斷面深寬比對風壓分布之影響 6
2-2-2 管線失真校準 6
2-2-3 流體分離與再接觸現象 6
2-2-4 二維矩柱之風壓分佈 7
2-2-5 箱型斷面之風壓分佈 7
2-3 風力頻譜特性 8
2-3-1 順風向風力頻譜特性 8
2-3-2 垂直向風力頻譜特性 8
2-3-3 扭轉向風力頻譜特性 8
第3章 理論背景 10
3-1 風對結構物之作用 10
3-1-1 分離現象 10
3-1-2 再接觸現象 10
3-1-3 尾跡現象 11
3-2 氣動力與氣彈力現象 11
3-2-1 顫振效應 11
3-2-2 抖振效應 12
3-2-3 渦流顫振效應 12
3-2-4 扭轉不穩定現象 12
3-2-5 鎖定現象 13
3-3 數值分析模式 13
3-3-1 風力係數 13
3-3-2 風壓係數 15
3-3-3 風力交頻譜 16
3-3-4 隨機數據分析 22
第4章 實驗步驟與分析 25
4-1 風洞實驗室之特性 25
4-2 流場配置 25
4-3 斷面模型之簡述 25
4-4 實驗儀器介紹 26
4-4-1 壓力量測 26
4-4-2 風速量測 27
4-4-3 位移量測 27
4-4-4 同步量測 27
4-4-5 管線系統訊號校正 28
4-5 實驗流程 29
4-5-1 氣動力實驗流程 29
4-5-2 氣彈力實驗流程 29
4-6 頻譜數據分析方法 30
4-7 顫振導數推導方法 33
第5章 實驗結果與分析討論 35
5-1 風壓分佈 35
5-1-1 風攻角對平均風壓分佈之影響 35
5-1-2 振動模式對風壓分佈之影響 35
5-1-3 風速對風壓分佈之影響 36
5-2 風力係數 36
5-2-1 拖曳向風力係數 36
5-2-2 垂直向風力係數 36
5-2-3 扭轉向風力係數 37
5-3 顫振導數 37
5-3-1 垂直向自由振動 37
5-3-2 扭轉向自由振動 38
5-3-3 雙自由度自由振動 38
第6章 結論與建議 40
6-1 風壓分佈 40
6-2 風力係數 40
6-3 顫振導數 41
參考文獻 43

表目錄
表(4-1)模擬流場之流場特性 46
表(4-2)顫振導數代表之物理意義 46
表(5-1)比較不同運動方式之平均風壓係數【上表面】 47
表(5-2)比較不同運動方式之平均風壓係數【下表面】 47
表(5-3)垂直向運動在不同之風速下之平均風壓係數 48
表(5-4)扭轉向運動在不同之風速下之平均風壓係數 49
表(5-5)雙自由度運動在不同之風速下之平均風壓係數 50
表(5-6)拖曳向風力係數數值比較【CD】 51
表(5-7)垂直向風力係數數值比較【CL】 52
表(5-8)扭轉向風力係數數值比較【CM】 53
表(5-9)以位移分析比較垂直向導數【H1*】 54
表(5-10)以位移分析比較扭轉向導數【A2*】 54
表(5-11)以位移分析比較扭轉向導數【A3*】 55
表(5-12)風扇轉速與淡江大學風洞實驗室風速對照表 55
表(5-13)比較頻率選擇方式【垂直振動,H1*】 56
表(5-14) 比較頻率選擇方式【垂直振動,H4*】 56
表(5-15)比較頻率選擇方式【扭轉運動,A2*】 57
表(5-16)比較頻率選擇方式【扭轉運動,A3*】 57
表(5-17)比較頻率選擇方式【雙自由度運動,H1*】 58
表(5-18)比較頻率選擇方式【雙自由度運動,H2*】 58
表(5-19)比較頻率選擇方式【雙自由度運動,H3*】 58
表(5-20)比較頻率選擇方式【雙自由度運動,H4*】 58
表(5-21)比較頻率選擇方式【雙自由度運動,A1*】 59
表(5-22) 比較頻率選擇方式【雙自由度運動,A2*】 59
表(5-23) 比較頻率選擇方式【雙自由度運動,A3*】 59
表(5-24) 比較頻率選擇方式【雙自由度運動,A4*】 59
附圖 61

圖目錄
圖(3-1)分離流與渦漩形成示意圖(A)方柱體分離現象 (B)長方體再接觸現象 61
圖(3-2)扭轉不穩定示意圖 61
(A)風洞實驗室側視圖 62
(B)風洞實驗室上視圖 62
圖(4-2)模型於風洞實驗室之架構圖 63
圖(4-3)模型不同寬深比顫振導數A2*值 63
圖(4-4-A)橋梁模型側視圖 64
圖(4-4-B)橋梁模型上視尺寸與代號示意圖 64
圖(4-5)橋梁上視模型開孔編號 65
圖(4-6)橋梁模型完成前後圖 66
圖(4-7)壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 67
圖(4-8)64頻道壓力感應器模組 67
圖(4-9)壓力量測系統 68
圖(4-10)壓力量測流程 68
圖(4-11)管線率定流程圖 69
圖(4-12)長距離雷射位移計 70
圖(4-13)雷射位移計控制盒 70
圖(4-14)橋梁斷面受風力的方向示意圖 70
圖(4-15)垂直振動實驗架構示意圖 71
圖(4-16)扭轉振動實驗架構示意圖 71
圖(4-17)雙自由度振動實驗架構示意圖 72
圖(4-18)管線率定結果 72
圖(4-19)轉換函數H(W)(實部) 73
圖(4-20)轉換函數H(W)(虛部) 73
圖(5-1)正風攻角下,平均風壓係數【上表面】 74
圖(5-2)正風攻角下,平均風壓係數【下表面】 74
圖(5-3)負風攻角下,平均風壓係數【上表面】 75
圖(5-4)負風攻角下,平均風壓係數【下表面】 75
圖(5-5)相同風速下,不同振動模式風壓比較圖【上表面】 76
圖(5-6)相同風速下,不同振動模式風壓比較圖【下表面】 76
圖(5-7)垂直向運動,比較風速【上表面】(風速有效位數小數第二位) 77
圖(5-8)垂直向運動,比較風速【下表面】(風速有效位數小數第二位) 77
圖(5-9)扭轉向運動,比較風速【上表面】(風速有效位數小數第二位) 78
圖(5-10)扭轉向運動,比較風速【下表面】(風速有效位數小數第二位) 78
圖(5-11)雙自由度運動,比較風速【上表面】(風速有效位數小數第二位) 79
圖(5-12)雙自由度運動,比較風速【下表面】(風速有效位數小數第二位) 79
圖(5-13)拖曳向風力係數,與前人之量測結果比較 80
圖(5-14)垂直向風力係數,與前人之結果做比較 80
圖(5-15)扭轉向風力係數,與前人結果做比較 81
圖(5-16)垂直向運動,垂直向外力頻譜(1~10HZ) 82
圖(5-17)垂直向運動,垂直向位移頻譜(1~10HZ) 82
圖(5-18)各風速下之H1*【FREQUENCY=2.5~3.5】 83
圖(5-19)H1*於不同頻率下之比較 83
圖(5-20)各風速下之H4*【FREQUENCY=2.5~3.5】 84
圖(5-21)H4*於不同頻率下之比較 84
圖(5-22)扭轉向運動,扭轉向外力頻譜(1~10HZ) 85
圖(5-23)扭轉向運動,扭轉向位移頻譜(1~10HZ) 85
圖(5-24)各風速下之A2*【FREQUENCY=3~5】 86
圖(5-25)A2*於不同頻率下之比較 86
圖(5-26)各風速下之A3*【FREQUENCY=3~5】 87
圖(5-27)A3*於不同頻率下之比較 87
圖(5-28)雙自由度運動,垂直向外力頻譜(1~100HZ) 88
圖(5-29)雙自由度運動,扭轉向外力頻譜(1~100HZ) 88
圖(5-30)雙自由度運動,垂直向位移頻譜(1~100HZ) 89
圖(5-31)雙自由度運動,扭轉向位移頻譜(1~100HZ) 89
圖(5-32)雙自由度運動,各風速下之H1*(FREQUENCY=3~6) 90
圖(5-33)雙自由度運動,各風速下之H2*(FREQUENCY=3~6) 90
圖(5-34)雙自由度運動,各風速下之H3*(FREQUENCY=3~6) 91
圖(5-35)雙自由度運動,各風速下之H4*(FREQUENCY=3~6) 91
圖(5-36)雙自由度運動H1* 92
圖(5-37)雙自由度運動H2* 92
圖(5-38)雙自由度運動H3* 93
圖(5-39)雙自由度運動H4* 93
圖(5-40)雙自由度,各風速下之A1*(FREQUENCY=3~6) 94
圖(5-41)雙自由度,各風速下之A2*(FREQUENCY=3~6) 94
圖(5-42)雙自由度,各風速下之A3*(FREQUENCY=3~6) 95
圖(5-43)雙自由度,各風速下之A4*(FREQUENCY=3~6) 95
圖(5-44)雙自由度運動A1* 96
圖(5-45)雙自由度運動A2* 96
圖(5-46)雙自由度運動A3* 97
圖(5-47)雙自由度運動A4* 97
圖(5-48)風扇轉速與實驗室風速對照圖 98
圖(5-49)風壓模型與一般B/D=8之模型比較【H1*】 98
圖(5-50)風壓模型與一般B/D=8之模型比較【A2*】 99
圖(5-51)風壓模型與一般B/D=8之模型比較【A3*】 99
參考文獻 參考文獻
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