相較於風洞試驗來得到試體斷面的風力係數之花費與動員人力，以計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）方式來模擬橋樑斷面周圍之風場特性更顯其經濟。這之中不只可模擬橋斷面周圍流場的壓力、速度的分佈情形，並可獲得橋斷面在不同風攻角下之風力係數，以為未來橋梁受風力作用的風力動態分析之用。

    本文將以ANSYS之FLUENT軟體作為CFD計算風場網格的模擬基礎，針對矩形斷面、高屏溪橋斷面進行風力係數模擬，並與前人之風洞試驗進行分析比較。與此同時，對於數值模擬之紊流模型、模型外觀以及粗糙度在不同風攻角下對氣動力係數之影響，進行討論，並依此模式為基礎，就高屏溪橋斷面之車-橋系統的風力係數與周圍風場的探討。最後，根據車-橋耦合斷面之模擬結果將其可視化模擬，並觀察其車-橋間之風壓流場變化情形，以釐清一般風洞實驗看不到的現象。

    根據本文之研究結果，將可提供對橋梁斷面之CFD模式建立及模擬方法，透過快速的數值模擬，以做為風洞試驗前風力係數之評估參考，並為接下來的CFD氣彈力模擬做好先期基礎工作。

Use Computational Fluid Dynamics (computational fluid dynamics, CFD) to simulate the wind field around bridge deck section and aerodynamic coefficients more economical than wind tunnel tests.CFD can simulate the pressure of the flow field around the bridge section and speed distribution. And CFD can get the bridge section of aerodynamic coefficients under different wind direction ,that future bridges subjected to the action of the wind in the wind dynamic analysis purposes.
    This article will use ANSYS FLUENT software as the CFD computational simulation of the wind field grid foundation to simulate the aerodynamic coefficients for rectangle cross-section and  the Kaoping bridge cross-section . Using the above results compared with the previous wind tunnel test to illustrate the numerical simulation of turbulent flow model, model appearance and roughness under different wind direction of aerodynamic coefficient. And use this result to simulate aerodynamic coefficient and flow field around the section for Bridge-Vehicle systems 
    Visualization according to the Vehicle-Bridge cross-section of the simulation results  observed the change of wind pressure and flow field between cars and bridge, in order to observe the general wind tunnel experiments can't observed phenomenon.
    We can use the results of this study provide the CFD simulation settings and simulation mode of the bridge deck section through rapid numerical simulation can be used as the assessment of aerodynamic coefficient before the wind tunnel tests and prepare CFD aeroelastic simulation basic.

目錄
第一章  緒論	1
1-1  研究動機	1
1-2  文獻回顧	2
1-3  研究方法	4
1-4  研究內容	4
1-5  論文架構	5
第二章  計算風工程理論	7
2-1  流體特性概述	7
2-1.1  流體黏滯性（Viscosity）	7
2-1.2  雷諾數（Reynolds numbers）	8
2-2  控制方程式	9
2-3  計算流體力學	11
2-3.1  計算流體力學之介紹	11
2-3.2  計算流體力學之方程式的建立	12
2-3.3  數值方法	14
2-3.3  紊流模式	18
2-3.4  Wall function	22
2-4  風效應概述	26
2-4.1  風效應	26
2-4.2  均勻紊流場特性	28
2-4.3  風力係數	30
第三章  二維矩形斷面模擬與實驗比較	32
3-1  淡江大學橋樑風洞概述	32
3-2  黃靖祺(2002)之風洞配置與實驗裝置	33
3-3  CFD數值模擬	36
3-3-1 計算域	37
3-3-2 網格繪製	38
3-3-3 紊流模式	40
3-3-4 邊界條件	40
3-4  模擬結果與驗證	41
3-4-1 改變斷面方向與改變入流風向之模擬比較	42
3-4-1.1 風力係數比較	42
3-4-1.2 風壓分佈圖比較	44
3-4-1.3 流場圖比較	46
3-4-2 RNG 與realizable 之模擬比較	49
3-4-2.1 風力係數比較	49
3-4-2.2 風壓分佈圖比較	52
3-4-2.3 流場圖比較	53
3-5  高風速下風力係數之驗證	56
3-6  小結	58
第四章  二維高屏溪橋斷面模擬與比較	59
4-1  淡江大學大氣邊界層風洞概述	59
4-2  風洞配置與實驗裝置	61
4-3  CFD數值模擬	64
4-3-1 計算域	64
4-3-2 網格繪製	65
4-3-3 紊流模式	66
4-3-4 邊界條件	67
4-4  模擬結果與驗證	67
4-4-1 斷面有無護欄之模擬比較	69
4-4-1.1 風力係數比較	70
4-4-1.2 風壓分佈圖比較	71
4-4-1.3 流場分佈圖比較	76
4-4-2 粗糙度之影響	79
4-4-2.1 粗糙度定義	79
4-4-2.2 風力係數比較	80
4-4-2.3 風壓分佈圖比較	83
4-4-2.4 流場圖比較	87
4-4-3 RNG 與realizable 之模擬比較	91
4-4-3.1 風力係數比較	91
4-4-3.2 風壓分佈圖比較	93
4-4-3.3 流場圖比較	97
4-5  小結	100
第五章 二維車-橋耦合斷面模擬與比較	101
5-1  參數分析	101
5-2  CFD數值模擬	103
5-2-1 計算域	103
5-2-2 網格繪製	104
5-2-3 紊流模式	105
5-2-4 邊界條件	106
5-3  車體位置對橋梁風力係數影響	106
5-3-1 車輛行駛於迎風面	107
5-3-1.1 車輛行駛於迎風面之風力係數比較	107
5-3-1.2 車輛行駛於迎風面之風壓比較	109
5-3-1.3 車輛行駛於迎風面之流場比較	111
5-3-2 車輛行駛於背風面	115
5-3-2.1 車輛行駛於背風面之風力係數比較	115
5-3-2.2 車輛行駛於背風面之風壓比較	117
5-3-2.3 車輛行駛於背風面之流場比較	120
5-3-3 雙向皆有車輛行駛之情形	123
5-3-3.1 雙向皆有車輛行駛在不同速限下風力係數比較	124
5-3-3.2 雙向皆有車輛行駛之風壓比較	127
5-3-3.3 雙向皆有車輛行駛之流場比較	130
5-3-3.4 護欄對局部風壓及流場影響	133
5-4  可視化	134
5-5  小結	138
第六章  結論與建議	140
6-1  結論	140
6-2  建議	141
參考文獻	143


圖目錄
圖2 1  Fluent網格元素類型[3]	14
圖2 2  流體流經鈍體之分離現象（Simiu, E、R.H. Scanlan）	26
圖2 3 流體與鈍體之再接觸現象（Simiu, E、R.H. Scanlan）	27
圖 2 4 橋樑斷面受風力示意圖	30
圖3 1 淡江大學大氣邊界層風洞側視圖	33
圖3 2 淡江大學大氣邊界層風洞上視圖	33
圖3 3 風洞橫斷面平滑流場之紊流均勻性（黃靖祺，2002）	34
圖3 4 模型斷面於橋梁風洞之架設情形（此非實際平板模型）	35
圖3 5平板斷面開孔情形側視圖（黃靖祺，2002）	35
圖3 6平板斷面開孔情形上視圖（黃靖祺，2002）	35
圖3 7CFD數值模擬流程圖[13]	36
圖3 8計算域與試驗斷面	38
圖3 9計算域劃分情形	39
圖3 10網格繪製情形	40
圖3 11  邊界條件示意圖	41
圖3 12固定入流風改變斷面角度之示意圖	42
圖3  13改變入流風向固定斷面之示意圖	42
圖3 14風力係數比較圖	43
圖3 15風壓比較圖	45
圖3 16流場比較圖	47
圖3 17  Modal1風攻角5度流場局部比較圖	49
圖3 18風力係數比較圖	51
圖3 19  RNG 與realizable  0度角風壓比較圖	52
圖3 20  RNG 與realizable  5度角風壓比較圖	53
圖3 21  0度角流場比較圖	54
圖3 22  5度角流場比較圖	55
圖3 23不同風速下風力係數比較圖	57
圖4 1  大氣邊界層風洞上視圖	60
圖4 2  大氣邊界層風洞側視圖	60
圖4 3  高屏溪橋梁斷面圖	62
圖4 4  橋梁斷面架設圖	62
圖4 5  順風向風力係數 量測架構圖	63
圖4 6  垂直向風力係數 垂直向風力係數 量測架構圖	63
圖4 7  高屏溪橋梁斷面尺寸圖	64
圖4 8  計算域與試驗斷面	64
圖4 9  計算域劃分情形	66
圖4 10  網格繪製情形	66
圖4 11  KPR1有護欄斷面模型示意圖	68
圖4 12  KPR2無護欄斷面模型示意圖	68
圖4 13  有無護欄之風力係數比較圖	71
圖4 14  0度角風壓比較圖	73
圖4 15  5度角風壓比較圖	74
圖4 16  -5度角風壓比較圖	75
圖4 17  0度角流場比較圖	76
圖4 18  5度角流場比較圖	77
圖4 19  -5度角流場比較圖	78
圖4 20  有無粗糙度之風力係數比較圖	82
圖4 21  0度角風壓比較圖	84
圖4 22  5度角風壓比較圖	85
圖4 23  -5度角風壓比較圖	86
圖4 24  0度角流場比較圖	88
圖4 25  5度角流場比較圖	89
圖4 26  -5度角流場比較圖	90
圖4 27  有無粗糙度之風力係數比較圖	92
圖4 28  0度角風壓比較圖	94
圖4 29  5度角風壓比較圖	95
圖4 30  -5度角風壓比較圖	96
圖4 31  0度角流場比較圖	97
圖4 32  5度角流場比較圖	98
圖4 33  -5度角流場比較圖	99
圖5 1  車輛行駛於橋面示意圖	101
圖5 2  計算域與試驗斷面	104
圖5 3  計算域劃分情形	105
圖5 4  網格繪製情形	105
圖5 5  車輛行駛於迎風面之示意圖	107
圖5 6  車輛行駛於迎風面時橋體之風力係數	108
圖5 7  車輛行駛於迎風面5度角時之風壓比較圖	109
圖5 8  車輛行駛於迎風面0度角時之風壓比較圖	110
圖5 9  車輛行駛於迎風面-5度角時之風壓比較圖	111
圖5 10  車輛行駛於迎風面5度角時之流場比較圖	112
圖5 11  車輛行駛於迎風面5度角時之流場比較圖	113
圖5 12  車輛行駛於迎風面5度角時之流場比較圖	114
圖5 13  車輛行駛於背風面之示意圖	115
圖5 14  車輛行駛於背風面時橋體之風力係數	116
圖5 15  車輛行駛於背風面5度角時之風壓比較圖	117
圖5 16  車輛行駛於背風面0度角時之風壓比較圖	118
圖5 17  車輛行駛於背風面-5度角時之風壓比較圖	119
圖5 18  車輛行駛於背風面5度角時之流場比較圖	120
圖5 19  車輛行駛於背風面0度角時之流場比較圖	121
圖5 20  車輛行駛於背風面-5度角時之流場比較圖	122
圖 5 21  雙向車道皆有車輛行駛之斷面示意圖	123
圖5 22  雙向皆有車輛行駛之分佈示意圖	124
圖5 23  雙向車道皆有車輛行駛在最高速限下之風力係數	125
圖5 24  雙向車道皆有車輛行駛在最低速限下之風力係數	126
圖5 25  雙向車道皆有車輛行駛在5度角時之風壓比較圖	127
圖5 26  雙向車道皆有車輛行駛在0度角時之風壓比較圖	128
圖5 27  雙向車道皆有車輛行駛在-5度角時之風壓比較圖	129
圖5 28  雙向車道皆有車輛行駛在5度角時之流場比較圖	130
圖5 29  雙向車道皆有車輛行駛在0度角時之流場比較圖	131
圖5 30  雙向車道皆有車輛行駛在-5度角時之流場比較圖	132
圖5 31  車-橋耦合斷面有無護欄之流場比較圖	133
圖5 32  車-橋耦合斷面有無護欄之風壓比較圖	134
圖5 33  Fluent 13.0作業畫面	135
圖5 34  可視化流程圖	135
圖5 35  Fluent 13.0可視化選項	136
圖5 36  Fluent 13.0中“Pathlines”選項內容	137
圖5 37  局部動態流線表示情形	138

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