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系統識別號 U0002-1308201212154200
中文論文名稱 地表粗糙元素對於模擬大氣邊界層之影響
英文論文名稱 The effect of surface roughness elements on the 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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 胡琮普
研究生英文姓名 Tsung-Pu Hu
學號 699380431
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-29
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-鄭啟明
委員-陳若華
委員-陳振華
委員-王仁牧
中文關鍵字 大氣邊界層  粗糙元素  風洞實驗 
英文關鍵字 Atmospheric boundary layer  roughness  wind tunnel 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 風力規範對於建築物設計風力有重要影響的參數可分為三大類:設計風速及風場特性,風壓係數,陣風反應因子。其中影響最為重要,且具有本土特性的是設計風速及風場特性。探討自然風場特性的可行方法不外乎實場監測與風洞模擬,二種研究方法各有其優缺點。實場監測的數據最為真實可信,然而確有設備昂貴、設點不易、量測困難、強風難求等諸多難處。風洞縮尺實驗最為便捷,然而僅採用風洞試驗進行自然風場之模擬亦有不及之處。本文首先依據在都會區、鄉鎮區以及農村等三個不同地況的平均風速剖面實場量測監測結果為依據,在淡江大學風洞實驗室,根據實際地況之建築分佈特性,建構地表粗糙元素,並據以發展紊流邊界層特性。本文所得之紊流邊界層特性與實場量測所得之平均風速剖面以及風洞完全縮尺模擬所得之紊流邊界層比較,三者相似性良好。除了代表平均風速剖面之α與z0值之外,本文分別求得三種地況之紊流強度、紊流尺度以及紊流頻譜之分佈特性。本文研究結果並顯示,建構風洞模擬所需之均勻地表粗糙元素時,必須考慮地況特性與量測位址之距離權重參數。
英文摘要 It is well known that the characteristics of the nature wind, the wind pressure (force) coefficients and the gust response factors are the three most important factors in the building wind code. Among the three items, the nature wind field exerts probably the most significant impact on the design wind load, and at the same time, is the most localized wind load parameter. Field measurement is the direct approach to study the characteristics of atmospheric boundary layers. It is also the most expensive and difficult way to do it. Wind tunnel simulation provides an easier alternative for this purpose. However, wind tunnel results need careful validation. This research project performed an in-depth investigation on the characteristics of nature wind. Based on the in-situ measurements at three different monitoring sites that represent urban, suburban and open terrain categories, three turbulent boundary layers were simulated in wind tunnel. The floor roughness elements used in these simulations were signed based on the actual building developments at the three monitoring sites. The wind profiles of the wind tunnel simulations agree well with the field data and the wind tunnel results of the “replica terrain models”. Wind tunnel study further indicates that the influence of upstream surface roughness on the development of turbulent boundary layer in a medium length test section wind tunnel is proportional to the upstream distance.
論文目次 目錄:
中文摘要
英文摘要
本文目錄
圖表目錄 IV
第一章、緒論
1-1前言 1
1-2研究動機 1
第二章、文獻回顧
2-1風洞實驗 2
2-2流場發展長度長度限制 2
2-3粗糙元素 3
2-4粗糙元素間隔對流場的影響 3
2-5粗糙長度 4
2-6零平面高度 8
2-6-1零平面高度計算 8
2-7粗糙長度與α值的關係 10
第三章、理論背景
3-1大氣邊界層紊流特性 13
3-2風速剖面(Wind profile) 14
3-3紊流強度(turbulence intensity) 16
3-4紊流長度尺度(turbulence length scale) 17
3-5紊流頻譜 19
3-6空間相關函數 21
3-7陣風因子(gust factor) 22
3-8隨機數據處理 23
第四章、實驗設備及實場量測
4-1風洞實驗室 26
4-2大氣邊界層流場之模擬 27
4-3實驗數據及採樣分析 29
4-4風洞實驗測量儀器 30
4-4-1測量儀器- COBRA PROBE 30
4-4-2 測量儀器-熱膜探針(Hot Film Probe) 32
4-5熱膜探針與三維風速測量儀數據比較 33
4-6可攜式風速遙測系統Lidar 37
4-6-1Lidar 數據採樣 38
第五章、實驗結果與探討
5-1-1鄉村地區:宜蘭光復國小均勻粗糙元素 42
5-1-2鄉鎮地區:宜蘭光復國小數據比對 59
5-2-1都市地區:淡江大學城區部縮尺 60
5-2-2都市地區:淡江大學城區部均勻粗糙元素 70
5-2-3都市地區:淡江大學城區部數據比對 80
5-3-1開闊地區:宜蘭新南國小設計粗糙元素 81
5-3-2開闊地區:宜蘭新南國小數據比對 92
第六章、結論與建議
6-1結論 93
6-2建議 94

表目錄:

表3-1地表粗糙度與β關係圖 16
表3-2同時間長度之c(t)值 18
表5-1鄉鎮地形設計分段粗糙元素(出至郭庭瑋) 44
表5-2鄉鎮地區數據比較 59
表5-3郭庭瑋之都市地形模擬α值與實場之比較 61
表5-4都市地區數據比較 80
表5-5開闊地形設計分段粗糙元素(出至郭庭瑋) 83
表5-6開闊地區數據比較 92

圖目錄:
圖3-1邊界層形成示意圖 13
圖3-2m隨Zo遞增之關係圖 18
圖4-1淡江大學結構氣動力風洞實驗室平面圖 26
圖4-2決定擾流板之高度與寬度之經驗曲線 28
圖4-3cobra針頭 31
圖4-4cobra全體圖 31
圖4-5都市地區風速比較 33
圖4-6鄉鎮地區風速比較 34
圖4-7開闊地區風速比較 34
圖4-8都市地區紊流比較 35
圖4-9鄉鎮地區紊流比較 36
圖4-10開闊地區紊流比較 36
圖4-11不同類型的光達掃描策略 37
圖4-12VAD法之示意圖 38
圖4-13宜蘭光復國小十分鐘平均風速剖面圖 40
圖4-14宜蘭新南國小十分鐘平均風速剖面圖 40
圖5-1宜蘭光復國小十分鐘平均風向歷時圖 42
圖5-2宜蘭光復國小地形圖(出至郭庭瑋) 43
圖5-3鄉村地區擾流板尺寸(出至郭庭瑋) 44
圖5-4均勻粗糙元素(B1)尺寸計算 45
圖5-5設計粗糙元素(B1)與縮尺比較 46
圖5-6均勻粗糙元素(B2)尺寸計算 47
圖5-7設計粗糙元素(B2)與縮尺比較 48
圖5-8設計粗糙元素(B2)與設計粗糙元素(B1)和縮尺比較 48
圖5-9均勻粗糙元素(B+C)前半段尺寸計算 50
圖5-10設計粗糙元素(B+C)與縮尺比較 51
圖5-11 150M無因次化風速比較 51
圖5-12 紊流強度比對 52
圖5-13 紊流尺度比對 53
圖5-14 順風向頻譜(44m) 53
圖5-15 順風向頻譜(84m) 54
圖5-16 順風向頻譜(156m) 54
圖5-17 順風向頻譜(212m) 55
圖5-18 順風向頻譜(316m) 55
圖5-19 順風向頻譜(360m) 56
圖5-20 相關性(35cm) 57
圖5-21 相關性(40cm) 57
圖5-22 相關性(43cm) 58
圖5-23 相關性(46cm) 58
圖5-24 縮尺模型判定α值 59
圖5-25 無因次化風速判定α值 59
圖5-26 縮尺模型擾流板(A-1) 60
圖5-27 淡江大學城區部地形圖(出至曾鈺婷) 62
圖5-28 擾流板(A-2) 63
圖5-29 風速剖面(A-1) 63
圖5-30 無因次化風速比對 64
圖5-31 紊流強度(A-1) 65
圖5-32 紊流尺度(A-1) 65
圖5-33 加入零平面高度的風速剖面 66
圖5-34 順風向頻譜(A-1)(40m) 66
圖5-35 順風向頻譜(A-1)(100m) 67
圖5-36 順風向頻譜(A-1)(240m) 67
圖5-37 順風向頻譜(A-1)(340m) 68
圖5-38 順風向頻譜(A-1)(450m) 68
圖5-39 順風向頻譜(A-1)(530m) 69
圖5-40 順風向頻譜(A-1)(570m) 69
圖5-41 風洞模擬(4)及風洞模擬(5)之粗糙元素尺寸 70
圖5-42 設計均勻粗糙元素與縮尺風速剖面比對 71
圖5-43 城區部縮尺、實場、粗糙元素150M無因次化風速比對 72
圖5-44 紊流強度比對 72
圖5-45 紊流尺度比對 73
圖5-46 設計均勻粗糙元素(40m) 74
圖5-47 設計均勻粗糙元素(100m) 74
圖5-48 設計均勻粗糙元素(240m) 75
圖5-49 設計均勻粗糙元素(340m) 75
圖5-50 設計均勻粗糙元素(450m) 76
圖5-51 設計均勻粗糙元素(530m) 76
圖5-52 設計均勻粗糙元素(570m) 77
圖5-53 相關性(29cm) 78
圖5-54 相關性(32cm) 78
圖5-55 相關性(34cm) 79
圖5-56 相關性(36cm) 79
圖5-57 縮尺模型判定α值 80
圖5-58 設計粗糙元素判定α值 80
圖5-59 宜蘭新南國小十分鐘平均風向歷時圖 81
圖5-60 宜蘭光復國小地形圖(出至郭庭瑋) 82
圖5-61 設計粗糙元素(C)與縮尺比對 84
圖5-62 與實場量測季風比對 84
圖5-63 與實場量測颱風比對 85
圖5-64 紊流強度比較 86
圖5-65 紊流尺度比對 86
圖5-66 順風向頻譜(40m) 87
圖5-67 順風向頻譜(80m) 87
圖5-68 順風向頻譜(152m) 88
圖5-69 順風向頻譜(212m) 88
圖5-70 順風向頻譜(296m) 89
圖5-71 相關性(35cm) 90
圖5-72 相關性(40cm) 90
圖5-73 相關性(43cm) 91
圖5-74 相關性(46cm) 91
圖5-75 縮尺模型判定α值 92
圖5-76 設計粗糙元素判定α值 92
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