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系統識別號 U0002-1507202014442900
中文論文名稱 以強制振動架構探討二維方柱於平滑流下的下游干擾效應
英文論文名稱 Investigation on Downstream Interference Effects of a Square Cylinder under Smooth Flow by Forced Vibrator.
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 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 韓靚
研究生英文姓名 Jing Han
學號 607380309
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-07-06
論文頁數 157頁
口試委員 指導教授-羅元隆
委員-王人牧
委員-蕭葆羲
中文關鍵字 氣動力  強制振動  二維方柱  CFD  干擾效應 
英文關鍵字 Aerodynamic  Forced vibration  Square cylinder  CFD  Interference effect 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 下游干擾效應自Bailey and Kwok (1985) 由風洞試驗的觀測結果中發現後,後續均不斷有學者提出更多的研究成果證明此下游干擾效應機制與上游建物造成干擾的機制不同,且證明了此類型干擾對於干擾位置及建築物本身的史庫頓數更為敏感(Lo et al. 2020)。
由於以風壓量測實驗或氣彈位移量測實驗,無法有效地探討鈍體空氣動力行為,一般多輔以數值流體力學模擬(CFD)的方式來加強說明。本研究使用計算流體力學的前處理器Pointwise進行模擬風洞試驗的計算域配置、網格繪製以及邊界條件設定,再以ANSYS公司的計算流體力學套裝軟體FLUENT進行分析。然而,目前CFD模擬技術尚未能有效模擬3D氣彈模式來探討此干擾問題,故本研究採用傳統風洞試驗,針對兩2D方柱間相互干擾的問題進行試驗。
除了一般氣動力試驗外,亦採用強制振動架構,探討振動頻率及振幅、約化風速、干擾位置等不同因素對於兩方柱間受力的氣動力行為。
結果顯示,在敏感下游區域約X/D = 3.50– 3.75時(x為兩方柱中心對中心距離,D為方柱邊長),兩方柱間流場為過渡期階段,具有明顯的非定常性風力特徵。檢視其他文獻亦發現類似特徵(Sakamoto et al. 2000)。然而,若在強制振動架構下,則此敏感下游區域將往前移至X/D = 3.25左右,顯示兩方柱間的相對距離與約化風速可能為決定此下游干擾效應的主要因素。
英文摘要 The downstream interference effect has been discovered by Bailey and Kwok (1985) from the observation results of the wind tunnel test. Later more research works have proven that the mechanism of the downstream interference effect is different from that of the upstream interference-effect. The former has been shown more sensitive to the relative location between two buildings and the Scruton-number-dependency (Lo et al. 2020). This study tends to simplify the experimental setting to focus on the first sensitive parameter – relative locations of two square prisms. The simulated flow is laminar (<0.5% turbulence). The experimental models are in two-dimensional square cross-section. Further, the upstream model is equipped with a force vibrator to simulate the forced vibration tests in comparison with traditional aerodynamic tests. The vibration amplitude and frequency can be artificially controlled via computers for parametric testing scenarios.
The computational fluid dynamic method (CFD simulation) is adopted for an enhanced understanding. In this study, the CFD preprocessor (Pointwise) is used to perform the computational domain configuration, grid drawing, and boundary condition setting for the simulated wind tunnel test. ANSUS-Fluent is the solver of the CFD process. However, from the results, the current CFD simulation technique has not achieved an effective simulation result of the three-dimensional aero-elastic models for a quantitative discussion. Therefore, this study will mainly adopt the traditional wind tunnel test to explain the mutual interference between two square prisms. Experimental results show that there is an apparent unsteady behavior in the sensitive downstream area about X/D = 3.50 - 3.75, which was also found in Sakamoto et al. (2000). On the other hand, with a forced vibrator, this sensitive area moves forward to about X/D = 3.25 - 3.50, indicating that the relative distance between the two square prisms is a dominant factor to the downstream interference-effect.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法 2
1.3 本文架構 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 二維方柱實驗 5
2.1.1 改變長寬比之研究 5
2.1.2 改變紊流之研究 5
2.1.3 剪力層之研究 6
2.2 干擾效應 7
2.2.1 二維下游干擾 7
2.2.2 三維下游干擾 8
2.3 強制振動 10
2.3.1 振動之加速度效應 10
2.3.2 振動之鎖定現象 10
2.3.3 振動之風力係數特性. 11
第三章 理論背景 13
3.1 氣動力現象 13
3.1.1 分離 (Separation) 13
3.1.2 再接觸(Reattachment) 13
3.1.3 渦散現象(Vortex Shedding) 14
3.1.4 尾跡 (Wake) 14
3.1.5 基本參數 15
3.2 氣彈力鎖定現象(Lock-in) 17
3.3 風洞實驗 18
3.3.1 雷諾數效應 18
3.3.2 阻塞比效應(Blockage Ratio Effect) 19
3.3.3 端版效應(End Plate Effect) 20
3.4 散漫數據分析(Random Data Analysis) 21
第四章 實驗設置與數據處理分析 23
4.1 風洞設備 23
4.2 量測儀器 24
4.2.1 風速量測 24
4.2.2 壓力量測 24
4.2.3 雷射位移計 26
4.2.4 強制振動架構 27
4.3 模型製作 29
4.4 訊號處理與數據處理 31
4.4.1 數據採樣 31
4.4.2 風壓訊號之管線修正 31
第五章 實驗結果與討論 35
5.1 單棟方柱氣動力實驗 36
5.1.1 風壓係數 36
5.1.2 風力係數 39
5.1.3 風力係數頻譜與史特赫數 41
5.1.4 數值模擬可視化 42
5.2 上游及下游方柱氣動力實驗 45
5.2.1 風壓係數 45
5.2.2 風力係數 51
5.2.3 風力係數頻譜與史特赫數 54
5.2.4 數值模擬可視化 59
5.3 單棟方柱氣彈力實驗 62
5.3.1 風壓係數 62
5.3.2 風力係數及頻譜 62
5.4 上游方柱及下游方柱氣彈力實驗 63
5.4.1 風壓係數 63
5.4.2 風力係數 65
5.4.3 風力係數頻譜與史特赫數 71
第六章 結論與建議 73
6.1 結論 73
6.2 建議與展望 74
參考文獻 75
附錄A 79
附錄B 89
附錄C 91
附錄D 111
附錄E 117
附錄F 133
圖目錄
圖2-1阻力係數與雷諾數之關係圖(取自Hoerner[3]) 5
圖2-2下游干擾效應的震盪反應(取自Bailey and Kwok[1]) 8
圖2-3矩柱干擾效應之座標示意(取自Yahyai[14]) 8
圖2-4干擾效應的系列位置(取自Lo et al.[15]) 9
圖2-5下游干擾效應的數值模擬(取自Lo et al.[2]) 9

圖3-1鈍體分離流及渦漩示意圖(取自曾育凡[23]) 15
圖3-2圓柱在不同雷諾數下氣流的分離現象(取自ANSYS[24]) 18
圖3-3尾跡流場受影響示意圖(取自Kubo et al.[30]) 20

圖4-1平均風速剖面及紊流強度 23
圖4-2壓力量測系統 25
圖4-3壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 25
圖4-4壓力感應器模組 26
圖4-5位移反應量測之儀器 26
圖4-6強制振動台振幅與頻率之誤差曲線 27
圖4-7強制振動台近照 28
圖4-8架設示意圖 28
圖4-9模型示意圖 29
圖4-10固定端詳圖 29
圖4-11佈點編號示意圖 30
圖4-12端版示意圖 30
圖4-13風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數(Amplitude ratio) 33
圖4-14風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數(Phase difference) 33

圖5-1各風速下平均風壓係數分佈(以皮托管量測之壓力約化) 36
圖5-2各風速下平均風壓係數分佈(以停滯點風壓係數約化) 37
圖5-3各風速下擾動風壓係數分佈 37
圖5-4與各文獻平均風壓係數之比較 38
圖5-5與各文獻擾動風壓係數之比較 38
圖5-6各風速下風力係數 40
圖5-7與各文獻風力係數之比較 40
圖5-8單一方柱風力係數頻譜與史特赫數 41
圖5-9 CFD結果與各文獻平均風壓係數之比較 43
圖5-10 CFD結果與各文獻平均風壓係數之比較 43
圖5-11前處理之網格示意圖 44
圖5-12後處理之單一方柱渦度示意圖 44
圖5-13 X/D = 3.500分離點風壓係數歷時 45
圖5-14 X/D = 3.625分離點風壓係數歷時 45
圖5-15 X/D = 3.525分離點歷時與平均、擾動風壓係數分布 47
圖5-16 X/D = 3.550分離點歷時與平均、擾動風壓係數分布 48
圖5-17 X/D = 3.575分離點歷時與平均、擾動風壓係數分布 49
圖5-18 X/D = 3.600分離點歷時與平均、擾動風壓係數分布 50
圖5-19上游方柱平均阻力係數之比較 52
圖5-20上游方柱擾動阻力係數之比較 52
圖5-21上游方柱擾動升力係數之比較 52
圖5-22下游方柱平均阻力係數之比較 53
圖5-23下游方柱擾動阻力係數之比較 53
圖5-24下游方柱擾動升力係數之比較 53
圖5-25改變排列間距之上游方柱升力係數頻譜變化 55
圖5-26改變排列間距與上游方柱史特赫數關係圖 55
圖5-27改變排列間距之上游方柱升力係數頻譜 56
圖5-28改變排列間距之下游方柱升力係數頻譜 57
圖5-29 X/D = 3.525其升力係數之小波分析 58
圖5-30 X/D = 3.550其升力係數之小波分析 58
圖5-31 X/D = 3.575其升力係數之小波分析 58
圖5-32 X/D = 3.600其升力係數之小波分析 58
圖5-33網格計算域 59
圖5-34 X/D = 2.75與4.00案例的網格 59
圖5-35以CFD模擬X/D = 2.75時的分離剪力層流況 60
圖5-36以CFD模擬X/D = 4.00時的分離剪力層流況 61
圖5-37單一方柱強制振動之風力係數 62
圖5-38 X/D = 3.5,A/B = 5%,fn = 8 Hz之分離點風壓係數歷時 63
圖5-39 X/D = 3.4,A/B = 10%,fn = 5 Hz之分離點風壓係數歷時 64
圖5-40上游方柱風力係數(振動A/B = 5%,改變排列間距) 66
圖5-41上游方柱風力係數(振動A/B = 10%,改變排列間距) 67
圖5-42下游方柱風力係數(上游方柱A/B = 5%,改變排列間距) 68
圖5-43下游方柱風力係數(上游方柱A/B = 10%,改變排列間距) 69
圖5-44擾動阻力係數上游方柱與下游方柱 70

圖B-1模型展開圖 89
圖B-2實驗架設近照 89

圖C-1 X/D = 1.35的平均風壓係數分佈 91
圖C-2 X/D = 1.35的擾動風壓係數分佈 91
圖C-3 X/D = 1.50的平均風壓係數分佈 92
圖C-4 X/D = 1.50的擾動風壓係數分佈 92
圖C-5 X/D = 1.75的平均風壓係數分佈 93
圖C-6 X/D = 1.75的擾動風壓係數分佈 93
圖C-7 X/D = 2.00的平均風壓係數分佈 94
圖C-8 X/D = 2.00的擾動風壓係數分佈 94
圖C-9 X/D = 2.25的平均風壓係數分佈 95
圖C-10 X/D = 2.25的擾動風壓係數分佈 95
圖C-11 X/D = 2.50的平均風壓係數分佈 96
圖C-12 X/D = 2.50的擾動風壓係數分佈 96
圖C-13 X/D = 2.75的平均風壓係數分佈 97
圖C-14 X/D = 2.75的擾動風壓係數分佈 97
圖C-15 X/D = 3.00的平均風壓係數分佈 98
圖C-16 X/D = 3.00的擾動風壓係數分佈 98
圖C-17 X/D = 3.25的平均風壓係數分佈 99
圖C-18 X/D = 3.25的擾動風壓係數分佈 99
圖C-19 X/D = 3.50的平均風壓係數分佈 100
圖C-20 X/D = 3.50的擾動風壓係數分佈 100
圖C-21 X/D = 3.75的平均風壓係數分佈 101
圖C-22 X/D = 3.75的擾動風壓係數分佈 101
圖C-23 X/D = 4.00的平均風壓係數分佈 102
圖C-24 X/D = 4.00的擾動風壓係數分佈 102
圖C-25 X/D = 4.25的平均風壓係數分佈 103
圖C-26 X/D = 4.25的擾動風壓係數分佈 103
圖C-27 X/D = 4.50的平均風壓係數分佈 104
圖C-28 X/D = 4.50的擾動風壓係數分佈 104
圖C-29 X/D = 4.75的平均風壓係數分佈 105
圖C-30 X/D = 4.75的擾動風壓係數分佈 105
圖C-31 X/D = 5.00的平均風壓係數分佈 106
圖C-32 X/D = 5.00的擾動風壓係數分佈 106
圖C-33 X/D = 6.00的平均風壓係數分佈 107
圖C-34 X/D = 6.00的擾動風壓係數分佈 107
圖C-35 X/D = 8.00的平均風壓係數分佈 108
圖C-36 X/D = 8.00的擾動風壓係數分佈 108
圖C-37 X/D = 10.00的平均風壓係數分佈 109
圖C-38 X/D = 10.00的擾動風壓係數分佈 109

圖D-1單棟強制振動A/B = 5%,平均風壓係數分布 111
圖D-2單棟強制振動A/B = 5%,擾動風壓係數分布 112
圖D-3單棟強制振動A/B = 5%,各振動頻率風力係數頻譜 113
圖D-4單棟強制振動A/B = 10%,平均風壓係數分布 114
圖D-5單棟強制振動A/B = 10%,擾動風壓係數分布 115
圖D-6單棟強制振動A/B = 10%,各振動頻率風力係數頻譜 116

圖E-1 X/D = 1.35強制振動的平均風壓係數分佈 117
圖E-2 X/D = 1.35強制振動的擾動風壓係數分佈 117
圖E-3 X/D = 1.50強制振動的平均風壓係數分佈 118
圖E-4 X/D = 1.50強制振動的擾動風壓係數分佈 118
圖E-5 X/D = 1.75強制振動的平均風壓係數分佈 119
圖E-6 X/D = 1.75強制振動的擾動風壓係數分佈 119
圖E-7 X/D = 2.00強制振動的平均風壓係數分佈 120
圖E-8 X/D = 2.00強制振動的擾動風壓係數分佈 120
圖E-9 X/D = 2.25強制振動的平均風壓係數分佈 121
圖E-10 X/D = 2.25強制振動的擾動風壓係數分佈 121
圖E-11 X/D = 2.50強制振動的平均風壓係數分佈 122
圖E-12 X/D = 2.50強制振動的擾動風壓係數分佈 122
圖E-13 X/D = 2.75強制振動的平均風壓係數分佈 123
圖E-14 X/D = 2.75強制振動的擾動風壓係數分佈 123
圖E-15 X/D = 3.00強制振動的平均風壓係數分佈 124
圖E-16 X/D = 3.00強制振動的擾動風壓係數分佈 124
圖E-17 X/D = 3.25強制振動的平均風壓係數分佈 125
圖E-18 X/D = 3.25強制振動的擾動風壓係數分佈 125
圖E-19 X/D = 3.50強制振動的平均風壓係數分佈 126
圖E-20 X/D = 3.50強制振動的擾動風壓係數分佈 126
圖E-21 X/D = 3.75強制振動的平均風壓係數分佈 127
圖E-22 X/D = 3.75強制振動的擾動風壓係數分佈 127
圖E-23 X/D = 4.00強制振動的平均風壓係數分佈 128
圖E-24 X/D = 4.00強制振動的擾動風壓係數分佈 128
圖E-25 X/D = 4.25強制振動的平均風壓係數分佈 129
圖E-26 X/D = 4.25強制振動的擾動風壓係數分佈 129
圖E-27 X/D = 4.50強制振動的平均風壓係數分佈 130
圖E-28 X/D = 4.50強制振動的擾動風壓係數分佈 130
圖E-29 X/D = 4.75強制振動的平均風壓係數分佈 131
圖E-30 X/D = 4.75強制振動的擾動風壓係數分佈 131
圖E-31 X/D = 5.00強制振動的平均風壓係數分佈 132
圖E-32 X/D = 5.00強制振動的擾動風壓係數分佈 132

圖F-1強制振動下改變排列間距之上游方柱升力係數頻譜變化 133
圖F-2上游方柱史特赫數變化(A/B = 5%,fn = 5 Hz) 134
圖F-3下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 5%,fn = 5 Hz) 135
圖F-4上游方柱史特赫數變化(A/B = 5%,fn = 6 Hz) 136
圖F-5下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 5%,fn = 6 Hz) 137
圖F-6上游方柱史特赫數變化(A/B = 5%,fn = 7 Hz) 138
圖F-7下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 5%,fn = 7 Hz) 139
圖F-8上游方柱史特赫數變化(A/B = 5%,fn = 8 Hz) 140
圖F-9下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 5%,fn = 8 Hz) 141
圖F-10上游方柱史特赫數變化(A/B = 5%,fn = 9 Hz) 142
圖F-11下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 5%,fn = 9 Hz) 143
圖F-12上游方柱史特赫數變化(A/B = 5%,fn = 10 Hz) 144
圖F-13下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 5%,fn = 10 Hz) 145
圖F-14上游方柱史特赫數變化(A/B = 10%,fn = 3 Hz) 146
圖F-15下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 10%,fn = 3 Hz) 147
圖F-16上游方柱史特赫數變化(A/B = 10%,fn = 4 Hz) 148
圖F-17下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 10%,fn = 4 Hz) 149
圖F-18上游方柱史特赫數變化(A/B = 10%,fn = 5 Hz) 150
圖F-19下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 10%,fn = 5 Hz) 151
圖F-20上游方柱史特赫數變化(A/B = 10%,fn = 6 Hz) 152
圖F-21下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 10%,fn = 6 Hz) 153
圖F-22上游方柱史特赫數變化(A/B = 10%,fn = 7 Hz) 154
圖F-23下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 10%,fn = 7 Hz) 155
圖F-24上游方柱史特赫數變化(A/B = 10%,fn = 8 Hz) 156
圖F-25下游方柱史特赫數變化(上游方柱A/B = 10%,fn = 8 Hz) 157

表目錄
表5-1實驗結果之架構 35
表5-3參考文獻之風力係數整理 39
表5-4 CFD與實驗風力係數之比較 42
表5-5雙穩態區流況所佔歷時百分比 46
表5-6改變排列間距之上游方柱史特赫數變化 54
表5-7強制振動頻率於頻譜中之約化頻率 71

表 A-1 CFD相關設置參數 79
表 A-2上游方柱具干擾之強制振動與單柱氣動力平均阻力係數誤差百分比 80
表 A-3上游方柱具干擾之強制振動與單柱氣動力擾動阻力係數誤差百分比 81
表 A-4上游方柱具干擾之強制振動與單柱氣動力擾動升力係數誤差百分比 82
表 A-5上游方柱具干擾之強制振動與單柱氣動力擾動力矩係數誤差百分比 83
表 A-6 上游方柱強制振動與氣動力平均阻力係數誤差百分比(皆具下游干擾) 84
表 A-7 上游方柱強制振動與氣動力擾動阻力係數誤差百分比(皆具下游干擾) 85
表 A-8 上游方柱強制振動與氣動力擾動升力係數誤差百分比(皆具下游干擾) 86
表 A-9 上游方柱強制振動與氣動力擾動力矩係數誤差百分比(皆具下游干擾) 87
參考文獻 [1]Bailey, P.A., Kwok, K.C.S., 1985. Interference excitation of twin tall buildings. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 21, 323-338.
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