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系統識別號 U0002-1102201108543900
中文論文名稱 大氣邊界層特性之實場監測及風洞實驗模擬
英文論文名稱 Field measurements and wind tunnel investigation on the characteristics of atmospheric boundary layer
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 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 曾鈺婷
研究生英文姓名 Yu-ting Tzeng
學號 697380037
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-01-17
論文頁數 137頁
口試委員 指導教授-鄭啟明
委員-蕭葆羲
委員-鄭啟明
委員-王人牧
中文關鍵字 自然風場  實場監測  粗糙元素 
英文關鍵字 natural wind characteristics  field measurement  Roughness element 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 隨著人口膨脹迅速,在有限的土地上為求生活空間,建築物只有往上發展,因此現代都市中越來越多高層建築物。然而高層建築的設計發展方向朝向高度高和輕質量,為因應對風的敏感程度增加,在亞熱帶島嶼的台灣,冬天有東北季風,夏天又常有颱風侵襲,由於高層建築相對於低矮建築來說勁度較低,且當建築物愈接近地面因地表粗糙度的關係風力較小,因此愈高的建築物所受到的風力會愈大,因此風力對於結構物的反應成為高層建築設計裡重要的一環。
本研究對台北市中心與淡水濱海地區兩個地方做邊界層特性的實場監測,取得颱風與東北季風的實測數據。並進行實際地況模型和粗糙元素的風洞模擬實驗,驗證實場監測得到結果。本文探討的邊界層特性包含風速剖面、紊流特性、陣風因子、空間相關性等重要風場特性。
研究結果顯示:在強風下,平均風速強度對風速剖面指數值有些許的影響,紊流強度隨著平均風速強度增加而遞減,而順風向積分尺度長度則隨著平均風速強度增加而遞增,Von-Karman 經驗頻譜公式作為代表該地自然風場特性的建議參數值,不同高度的空間相關性符合Davenport建議參數值。無論是實際地況模型或是粗糙元素的風洞模擬實驗,在精密縮尺條件下,風場特性與實場監測結果做比較,都有不錯的相似性。
英文摘要 The population is growing rapidly in Taiwan, and as a result the geographical area encapsulating the population is decreasing dramatically. This is forcing people to use space more efficiently, and this was reflected by constructing tall, multi-storey buildings. Therefore, it is often common to see a lot of tall buildings in modern and congested cities. However, according to reinforcing of wind, tall buildings are of exceptional height and relatively low mass. These two characteristics have their advantages and disadvantages.
Since Taiwan is located in the subtropical zone, it has northeast monsoon in the winter and typhoons in the summer, so people have to be extremely considerate when it comes to designing tall buildings in such conditions. It is critically important that they understand the causes and effects of wind power on the buildings’ physical structures. For example, tall constructions are stiffer than low ones; however they suffer more pressure from wind.
The main objective of this research is to discuss the different characteristics of atmospheric boundary layer between Taipei city and Danshui. It also focuses on the comparison between the wind tunnel experiments and field measurement. It includes characteristics of atmospheric boundary layer, wind profile, turbulence intensity, turbulence length scale, turbulence spectrum, gust factor, and coherence function.
According to the experiment result, it shows that the average intensity of wind velocity have some effects on the wind profile figure under a strong wind circumstance; the turbulence intensity decrease steadily when there is an increase on the average intensity of wind velocity. On the other hand, the turbulence length scale expands while the average intensity of wind velocity increases. The Von-Karman spectrum density function represent the recommended figure of local’s normal wind characteristics. Different level of height of Coherence Function satisfied Davenport’s recommended figure. Under the accurate reduced scale conditions, both the Practical situation model and wind tunnel investigation have similar outcome after comparing the result of the Characteristics of wind field and Field measurement.
論文目次 表目錄 III
圖目錄 IV
第壹章、緒論1
1-1前言 1
1-2研究動機1
1-3研究方法與內容 2
1-4論文架構 3
第貳章、文獻回顧 4
2-1粗糙元素設計 4
2-1-1粗糙元素大小與Zo的轉換 4
2-1-2 roughness 的間隔對流場的影響 5
2-1-3 Fetch 的限制 6
2-2粗糙長度計算 6
2-3實場量測 9
2-3-1數據定常性評估 9
2-3-2 EMD於非定常性數據之應用 11
2-4風洞實驗 13
2-4-1大氣邊界層流場之風洞模擬 13
2-4-2雷諾數效應 14
2-4-3風洞實驗之阻塞效應 15
2-5本國規範(建築物耐風設計規範及解說) 16
第參章、理論背景 17
3-1大氣邊界層紊流特性 17
3-1-1風速剖面(wind profile) 18
3-1-2紊流強度(turbulence intensity) 20
3-1-3紊流長度尺度(turbulence length scale ) 21
3-1-4紊流頻譜 23
3-1-5空間相關函數 25
3-1-6陣風因子(gust factor) 26
3-2平均風速與擾動風速之計算 27
3-3隨機數據處理 28
第肆章、實場監測與數據分析 30
4-1實場監測-淡江大學城區部 30
4-1-1量測儀器-可攜式風速遙測系統Lidar 32
4-1-2 Lidar數據採樣 34
4-1-3數據分析與結果 35
4-2實場監測-淡水中央電台 43
4-2-1量測儀器 44
4-2-2中央電台數據採樣 46
4-2-3數據分析流程 47
4-2-4淡水中央電台量測結果 49
第伍章、風洞實驗模擬 90
5-1風洞實驗室 90
5-2大氣邊界層流場之模擬 91
5-3實驗數據及採樣分析 93
5-4風洞實驗測量儀器 94
5-4-1測量儀器- COBRA PROBE 94
5-4-2測量儀器-熱膜探針(Hot Film Probe) 96
5-5風洞模擬實驗配置 97
5-6結果分析與比較 110
5-6-1風速剖面 110
5-6-2紊流強度 115
5-6-3紊流長度尺度 120
5-6-4小結 122
5-6-5擾動風速頻譜 122
5-6-6空間相關性 131
第陸章、結論與建議 132
6-1結論 132
6-2建議 134
參 考 文 獻 135
表目錄
表2-1建物高統計表 4
表2-2 Reverse arrangement distribution probability 10
表3-1 Z0和不同地況的關係 18
表3-2不同地區之 、 之值 19
表3- 3地表粗糙長度與β關係圖 20
表3- 4同時間長度之c(t)值 26
表4-1平均風速垂直分布指數α與紊流強度的比較 56
表4-2不同高度紊流尺度的比較 68
表4-3頻譜係數的比較 1
表5-1模型計算 104
圖目錄
圖1-1 研究架構圖 3
圖2-1 不同間隔粗糙元素流線發展 5
圖2-2 計算結果比較圖 6
圖3-1 邊界層形成示意圖 17
圖3- 2 不同高度之c、m值圖 22
圖4-1 量測位置(淡江大學城區部) 30
圖4-2 淡江大學城區部周圍地況照片 31
圖4- 3不同類型的光達掃描策略 32
圖4- 4 Lidar實際量測狀況 33
圖4-5 VAD法之示意圖 34
圖4-6 2010年10月22日淡江大學城區部十分鐘平均風速歷時圖 37
圖4-7 2010年10月22日淡江大學城區部十分鐘平均風向歷時圖 37
圖4-8 2010年10月22日淡江大學城區部十分鐘平均風速剖面圖 38
圖4-9 2010年10月22日淡江大學城區部無因次化平均風速剖面圖 38
圖4-10 2011年1月6日淡江大學城區部十分鐘平均風速歷時圖 39
圖4-11 2011年1月6日淡江大學城區部十分鐘平均風向歷時圖 39
圖4-12 2011年1月6日淡江大學城區部十分鐘平均風速剖面圖 40
圖4-13 2011年1月6日淡江大學城區部無因次化平均風速剖面圖 40
圖4-14 2011年1月22日淡江大學城區部十分鐘平均風速歷時圖 41
圖4-15 2011年1月22日淡江大學城區部十分鐘平均風向歷時圖 41
圖4-16 2011年1月22日淡江大學城區部十分鐘平均風速剖面圖 42
圖4-17 2011年1月22日淡江大學城區部無因次化平均風速剖面圖 42
圖4-18 淡水中央電台周圍建築物(圓圈處電台位置) 43
圖4-19 淡水中央電台儀器裝置示意圖 45
圖4- 20 莫拉克颱風1hr歷時與經EMD過濾調整前後 47
圖4- 21 凡那比颱風一小時歷時與經EMD過濾調整後之歷時 47
圖4-22 數據分析流程 48
圖4-23 莫拉克路徑圖 51
圖4-24 凡那比颱風路徑圖 51
圖4-25 莫拉克風速歷時資料 52
圖4-26 莫拉克風向歷時資料 52
圖4-27 二∼四月份風速監測資料(一小時平均) 53
圖4-28 二∼四月份風向監測資料(一小時平均) 53
圖4-29 凡那比風速歷時資料 54
圖4-30 凡那比風向歷時資料 54
圖4-31 莫拉克風速剖面 57
圖4-32 莫拉克α值的變化(十分鐘平均)57
圖4-33 二∼四月季風風速剖面 58
圖4-34 凡那比風速剖面 59
圖4-35 凡那比α值的變化(十分鐘平均)59
圖4-36 莫拉克紊流強度剖面圖 61
圖4-37 莫拉克不同風速下,紊流強度的比較(20公尺) 61
圖4-38 莫拉克不同風速下,紊流強度的比較(40公尺) 62
圖4-39 莫拉克不同風速下,紊流強度的比較(60公尺) 62
圖4-40 莫拉克不同風速下,紊流強度的比較(80公尺) 63
圖4-41 莫拉克不同風速下,紊流強度的比較(100公尺) 63
圖4-42 二∼四月季風紊流強度剖面圖 64
圖4-43 二∼四月季風不同風速下,紊流強度的比較(20公尺) 64
圖4-44 二∼四月季風不同風速下,紊流強度的比較(40公尺) 65
圖4-45 二∼四月季風不同風速下,紊流強度的比較(60公尺) 65
圖4-46 凡那比不紊流強度剖面圖 66
圖4-47 凡那比不同風速下,紊流強度的比較(20公尺) 66
圖4-48 凡那比不同風速下,紊流強度的比較(40公尺) 67
圖4-49 凡那比不同風速下,紊流強度的比較(60公尺) 67
圖4-50 莫拉克順風向紊流尺度 69
圖4-51 二∼四月季風順風向紊流尺度 69
圖4-52 凡那比順風向紊流尺度 70
圖4-53 莫拉克順風向頻譜(20公尺處)72
圖4-54 莫拉克順風向頻譜(40公尺處)72
圖4-55 莫拉克順風向頻譜(60公尺處)73
圖4-56 莫拉克順風向頻譜(80公尺處)73
圖4-57 莫拉克順風向頻譜(100公尺處)74
圖4-58 莫拉克橫風向頻譜(20公尺處)74
圖4-59 莫拉克橫風向頻譜(40公尺處)75
圖4-60 莫拉克橫風向頻譜(60公尺處)75
圖4-61 莫拉克橫風向頻譜(80公尺處)76
圖4-62 莫拉克橫風向頻譜(100公尺處)76
圖4- 63 二∼四月季風順風向頻譜(20公尺處)77
圖4-64 二∼四月季風 順風向頻譜(40公尺處)77
圖4-65 二∼四月季風順風向頻譜(60公尺處)78
圖4-66 二∼四月季風橫風向頻譜(20公尺處)78
圖4-67 二∼四月季風橫風向頻譜(40公尺處)79
圖4-68 二∼四月季風橫風向頻譜(60公尺處)79
圖4-69 凡那比順風向頻譜(20公尺處)80
圖4-70 凡那比順風向頻譜(40公尺處)80
圖4-71 凡那比順風向頻譜(60公尺處)81
圖4-72 凡那比橫風向頻譜(20公尺處)81
圖4-73 凡那比橫風向頻譜(40公尺處)82
圖4-74 凡那比橫風向頻譜(60公尺處)82
圖4-75 莫拉克陣風因子與時間關係 83
圖4-76 莫拉克實場尖峰因子與Durst curve值的比較 84
圖4-77 莫拉克尖峰因子的線性擬合式 84
圖4-78 二∼四月季風陣風因子與時間關係 85
圖4-79 二∼四月季風實場尖峰因子與Durst curve值的比較 85
圖4-80 二∼四月季風尖峰因子的線性擬合式 86
圖4-81 凡那比陣風因子與時間關係 86
圖4-82 凡那比實場尖峰因子與Durst curve值的比較 87
圖4-83 凡那比尖峰因子的線性擬合式 87
圖4-84 莫拉克交相關頻譜 88
圖4-85 二∼四月季風交相關頻譜 89
圖4-86 凡那比交相關頻譜 89
圖 5-1 淡江大學結構氣動力風洞實驗室平面圖 90
圖5-2 決定擾流板之高度與寬度之經驗曲線 92
圖5-3 cobra針頭 95
圖5-4 cobra全體圖 95
圖5-5 實際地況模擬地區地圖(右邊為只有建築物之圖) 100
圖5-6 區塊一auto cad圖 101
圖5-7 區塊一 樓層數量、體積統計圖 101
圖5-8 區塊二auto cad圖 102
圖5-9 區塊二 樓層數量、體積統計圖 102
圖5-10 區塊三auto cad圖 103
圖5-11 區塊三 樓層數量、體積統計圖 103
圖5-12 城區部實際地況模型圖 105
圖5-13 錐形擾流板 105
圖5-14 方形粗糙元素風洞實驗圖 106
圖5-15 風洞模擬(3)粗糙元素設計解說 107
圖5-16 風洞模擬(4)粗糙元素設計解說 108
圖5-17 風洞模擬(5)粗糙元素設計解說 109
圖5-18 風洞模擬(1)風速剖面圖 111
圖5-19 風洞模擬(2)風速剖面圖 111
圖5-20 實場與風洞模擬(2)比較無因次化平均風速剖面(全) 112
圖5-21 實場與風洞模擬(2)比較無因次化平均風速剖面圖 112
圖5-22 風洞模擬(2)與風洞模擬(3)比較無因次化平均風速剖面圖113
圖5-23 風洞模擬(2)與風洞模擬(4)比較無因次化平均風速剖面圖113
圖5-24 風洞模擬(2)與風洞模擬(5)比較無因次化平均風速剖面圖114
圖5-25 風洞模擬(2)與風洞模擬(3)比較順風向紊流強度 115
圖5-26 風洞模擬(2)與風洞模擬(3)比較橫風向紊流強度 116
圖5-27 風洞模擬(2)與風洞模擬(3)比較垂直向紊流強度 116
圖5-28 風洞模擬(2)與風洞模擬(4)比較順風向紊流強度 117
圖5-29 風洞模擬(2)與風洞模擬(4)比較橫風向紊流強度 117
圖5-30 風洞模擬(2)與風洞模擬(4)比較垂直向紊流強度 118
圖5-31 風洞模擬(2)與風洞模擬(5)比較順風向紊流強度 118
圖5-32 風洞模擬(2)與風洞模擬(5)比較橫風向紊流強度 119
圖5-33 風洞模擬(2)與風洞模擬(5)比較垂直向紊流強度 119
圖5-34 風洞模擬(2)與風洞模擬(3)比較順風向紊流尺度 120
圖5-35 風洞模擬(2)與風洞模擬(4)比較順風向紊流尺度 121
圖5-36 風洞模擬(2)與風洞模擬(5)比較順風向紊流尺度 121
圖5-37 風洞模擬(2)順風像頻譜(11cm) 123
圖5-38 風洞模擬(2)順風像頻譜(23cm) 123
圖5-39 風洞模擬(2)順風像頻譜(32cm) 124
圖5-40 風洞模擬(2)順風像頻譜(42cm) 124
圖5-41 風洞模擬(2)順風像頻譜(62cm) 125
圖5-42 風洞模擬(2)順風像頻譜(73cm) 125
圖5-43 風洞模擬(2)順風像頻譜(85cm) 126
圖5-44 風洞模擬(2)順風像頻譜(91cm) 126
圖5-45 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(10cm) 127
圖5-46 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(23cm) 127
圖5-47 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(30cm) 128
圖5-48 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(42cm) 128
圖5-49 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(60cm) 129
圖5-50 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(72cm) 129
圖5-51 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(86cm) 130
圖5-52 風洞模擬(5)順風向頻譜圖(91cm) 130
圖5-53 風洞模擬(5)交相關頻譜圖 131
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