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系統識別號 U0002-1807201811023600
中文論文名稱 複數風洞非定常性流場初步研究
英文論文名稱 The preliminary study of unsteady flow by the actively-controlled multiple fan wind tunnel
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 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 馬嘉風
研究生英文姓名 Jia-Feng Ma
學號 605384022
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-05
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-羅元隆
委員-王人牧
委員-傅仲麟
中文關鍵字 非定常性流場  頻譜分析  小波變換  風壓實驗 
英文關鍵字 unsteady flow  frequency spectrum analysis  wavelet transform  wind pressure 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要  風洞實驗為風工程界一個重要的研究方法。主要以平穩隨機定常流場作為研究對象。現淡江大學風工程研究中心已建成複數風洞,其可產生更加接近還原真實流暢的非定常性氣流。本研究分為三個部分,第一部分量測風洞斷面性能,為後續實驗選定實驗斷面。第二部分以非定常性流場的頻譜分析、小波變換分析非定常風的能量特性,後以一假設的氣動力阻抗函數及機械阻抗函數得到對應的位移擾動頻譜。第三部分架設7x7x78cm的方柱模型做二維流場風壓實驗來分析非定常性風在結構反應上的特性。
第一部分用cobra配合風洞天車量取每一個斷面,每一顆風扇出風口的平均數據為後續的實驗選定合適的實驗斷面。
  第二部分之實驗以Cobra風速計和Scanivalve壓力量測儀同步量測風洞中心高度的流場變化情況歷時,以實驗結果比較定常性流場與非定常性流場用傅里葉轉換得到傳統風速頻譜的差異。然後根據文獻回顧使用Morlet小波函數做小波變換得到時變頻譜,並以時變頻譜切片做分析得到非定常性流場真正的能量特性。基於小波變換的分析手段,通過改變非定常性風的加速度來得到不同加速度情況下時變頻譜的能量特性。以一假設的氣動力阻抗函數及機械阻抗函數得到對應的位移擾動頻譜,以位移擾動頻譜的共振能量對比不同加速度情況下非定常性風對結構反應帶來的差異性。
第三部分以架設7x7x78cm的方柱模型做二維流場風壓實驗來分析非定常性風的結構反應。以方柱模型做風壓實驗得到風壓係數在不同加速度情況下產生的差異性。
  研究以實驗結果探討,在不同加速度下非定常性流場下頻譜能量是否相同,能量的不同對結構反應的影響大小。並且期望能在其中找出傳統風洞實驗無法看到的結構反應現象。本研究期望能探討在不同加速度的非定常流場與平穩隨機流場下,其對結構反應的影響。
英文摘要 Wind tunnel experiment is an important research method for wind engineering. The research usually focuses on the steady flow field. The wind engineering research center of Tamkang university has built an actively-controlled multiple fan wind tunnel, which can produce unsteady flow and is closer to the real and smooth flow. This study is divided into three parts. The first part shows the performance of the wind tunnel section and selects the experimental section for subsequent experiments. In the second part, the energy characteristics of unsteady flow will be analyzed by frequency spectrum analysis and wavelet transform. In the third part, a 7x7x78cm square prism will be set up to perform 2D flow field wind pressure experiments to analyze the characteristics of unsteadyflow in the structural response.
For the first part, the average data of each fan outlet will be measured from each section by using Cobra,and then select a suitable section for other experiment. For the second part, the time series of unsteady flow will be measured by using both Cobra and Scanivalve. Compare the differences between unsteady flow and steady flow by using frequency spectrum analysis.Then use wavelet transform to get the timescale spectrum of the unsteady flow time series to get the real energy characteristics of unsteady flow of four different accelerations . Five different displacement spectrums are obtained with a hypothetical aerodynamic function and a hypothetical mechanical function and we can know the resonance response based on it.In the last part, analyze the characteristics of unsteadyflow of four different accelerations in the structural response.
It is expected that we can find out the structural response which can not be seen in traditional wind tunnel experiments.
論文目次 目錄
目錄 I
表目錄 III
圖目錄 IV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 研究內容 3
1.4 論文架構 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 風洞實驗 5
2.1.1 複數風洞發展進程 5
2.1.2 複數風洞目前實驗成果 5
2.2 小波變換對非平穩信號的分析 6
2.3 現有複數風洞介紹 6
2.3.1 日本宮崎大學複數風洞 6
2.3.2 上海同濟大學複數風洞 7
第三章 理論背景 9
3.1 平均風速 9
3.2 紊流強度 9
3.3 紊流長度尺度 9
3.3 縱向擾動風速頻譜 11
3.4 非平穩風壓係數 12
3.5 空間相關函數 12
3.6 風力作用下的位移反應計算 13
3.7 風速實驗之背景+共振方法 15
3.8 連續小波變換 15
第四章 實驗設置與數據處理分析 16
4.1 風洞 16
4.2 複數風洞控制原理 18
4.3 量測儀器 20
4.4 模型 23
4.5 風洞實驗及數據分析 24
第五章 實驗結果與討論 25
5.1 流場量測 25
5.1.1 平均風速contour圖 26
5.1.2 紊流強度contour圖 28
5.1.3 紊流長度尺度contour圖 30
5.1.4 風速相關性驗證 32
5.1.5 章節小結 34
5.2 非定常性氣流風速實驗 35
5.2.1 非定常性氣流的實現方法 35
5.2.2 非定常性氣流與定常性氣流在實驗上的差異性 36
5.2.3 傅里葉變換風速頻譜 40
5.2.4 小波變換 40
5.2.5 頻譜切片比較 42
5.2.6 不同加速度概況下位移頻譜共振響應比較 44
5.3 非定常性氣流風壓實驗 56
5.3.1 風壓係數歷時 57
5.3.2 風壓係數歷時數據整理分析 58
5.3.3 迎風面風壓係數統計 58
5.3.4 側風面風壓係數統計 62
5.3.5 背風面風壓係數統計 65
第六章 結論與建議 71
6.1 結論 71
6.2 建議 73
第七章 未來展望 74
參考文獻 77
[附錄A]非定常性氣流風速歷時圖 78
[附錄B]共振響應分佈圖 80
[附錄C]附錄表格 81

表目錄
表5-1 共振響應對比……………………………………………………………………………………..……..56
表C-1 迎風面風壓孔統計值2-3 81
表C-2 迎風面風壓孔統計值4-6 82
表C-3 側風面風壓孔統計值9-10 83
表C-4 側風面風壓孔統計值11-13 84
表C-5 背風面風壓孔統計值16-17 85
表C-6 背風面風壓孔統計值18-20 86
表C-7 共振響應值 87

圖目錄
圖2-1宮崎大學複數風洞結構圖 6
圖2-2宮崎大學複數風洞剖面圖 7
圖2-3上海同濟大學複數風洞結構圖 7
圖2-4上海同濟大學複數風洞實體圖 8
圖3-1紊流長度尺度參數C、M與高度Z0關係圖 11
圖4-1淡江大學風工程研究中心複數風洞實驗室示意圖 17
圖4-2複數風洞風速歷時控制 18
圖4-3風速歷時檔案示意圖 18
圖4-4伺服器示意圖 19
圖4-5風洞操作示意圖 19
圖4-6 COBRA風速計圖解 20
圖4-7訊號擷取器 21
圖4-8壓力量測系統 21
圖4-9壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 22
圖4-10 64頻道壓力感應器模組 22
圖4-11風壓實驗模型架設示意圖 23
圖5-1斷面示意圖 25
圖 5-2 X=1M斷面風速CONTOUR圖 26
圖5-3 X=2M斷面風速CONTOUR圖 27
圖5-4 X=3M斷面風速CONTOUR圖 27
圖5-5 X=1M斷面紊流強度CONTOUR圖 28
圖5-6 X=2M斷面紊流強度CONTOUR圖 29
圖5-7 X=3M斷面紊流強度CONTOUR圖 29
圖5-8 X=1M斷面紊流長度尺度CONTOUR圖 30
圖5-9 X=2M斷面紊流長度尺度CONTOUR圖 31
圖5-10 X=3M斷面紊流長度尺度CONTOUR圖 31
圖5-11 X=1M斷面風速相關函數圖 32
圖5-12 X=2M斷面風速相關函數圖 33
圖5-13 X=3M斷面風速相關函數圖 33
圖5-14 電腦輸入風速歷時示意圖 35
圖5-15 實測風速歷時示意圖 36
圖5-16 實測5.8M/S風速(上)風壓(下)歷時示意圖 37
圖5-17 實測11.0M/S風速(上)風壓(下)歷時示意圖 38
圖5-18 實測非定常性氣流風速(上)風壓(下)歷時示意圖 39
圖5-19 三種概況風速頻譜對比圖 40
圖5-20 非定常性氣流時變頻譜圖 41
圖5-21 頻譜切片示意圖 42
圖5-22 頻譜切片對比圖 43
圖5-23 不同加速度下加速段頻譜切片對比圖 44
圖5-24 氣動力阻抗函數圖 45
圖5-25 FN=0.1HZ機械阻抗函數圖 46
圖5-26 FN=0.2HZ機械阻抗函數圖 46
圖5-27 FN=0.3HZ機械阻抗函數圖 47
圖5-28 FN=0.4HZ機械阻抗函數圖 47
圖5-29 FN=0.5HZ機械阻抗函數圖 48
圖5-30 FN=0.6HZ機械阻抗函數圖 48
圖5-31 FN=0.7HZ機械阻抗函數圖 49
圖5-32 FN=0.8HZ機械阻抗函數圖 49
圖5-33 FN=0.9HZ機械阻抗函數圖 50
圖5-34 FN=0.1HZ位移擾動頻譜對比圖 51
圖5-35 FN=0.2HZ位移擾動頻譜對比圖 51
圖5-36 FN=0.3HZ位移擾動頻譜對比圖 52
圖5-37 FN=0.4HZ位移擾動頻譜對比圖 52
圖5-38 FN=0.5HZ位移擾動頻譜對比圖 53
圖5-39 FN=0.6HZ位移擾動頻譜對比圖 53
圖5-40 FN=0.7HZ位移擾動頻譜對比圖 54
圖5-41 FN=0.8HZ位移擾動頻譜對比圖 54
圖5-42 FN=0.9HZ位移擾動頻譜對比圖 55
圖5-43風壓模型迎風方向及編號圖 57
圖5-44非平穩風壓係數歷時圖 57
圖5-45風壓係數歷時分區圖 58
圖5-46迎風面加速段正尖峰因子分佈圖 59
圖5-47迎風面加速段擾動值分佈圖 59
圖5-48 A=0.95M/S^2迎風面擾動值分佈圖 60
圖5-49 A=1.74M/S^2迎風面擾動值分佈圖 60
圖5-50 A=2.32M/S^2迎風面擾動值分佈圖 61
圖5-51 A=3.81M/S^2迎風面擾動值分佈圖 61
圖5-52側風面加速段負尖峰因子分佈圖 62
圖5-53側風面加速段擾動值分佈圖 62
圖5-54 A=0.95M/S^2側風面擾動值分佈圖 63
圖5-55 A=1.74M/S^2側風面擾動值分佈圖 63
圖5-56 A=2.32M/S^2側風面擾動值分佈圖 64
圖5-57 A=3.81M/S^2側風面擾動值分佈圖 64
圖5-58背風面加速段負尖峰因子分佈圖 65
圖5-59背風面加速段擾動值分佈圖 66
圖5-60 A=0.95M/S^2背風面擾動值分佈圖 66
圖5-61 A=1.74M/S^2背風面擾動值分佈圖 67
圖5-62 A=2.32M/S^2背風面擾動值分佈圖 67
圖5-63 A=3.81M/S^2背風面擾動值分佈圖 68
圖5-64 A=0.95M/S^2擾動差值分佈圖 69
圖5-65 A=1.74M/S^2擾動差值分佈圖 69
圖5-66 A=2.32M/S^2擾動差值分佈圖 70
圖5-67 A=3.81M/S^2擾動差值分佈圖 70
圖7-1目標頻譜修正流程圖 74
圖7-2目標頻譜修正示意圖 75
圖7-3下擊暴流示意圖 76
圖7-4海棠颱風某時刻風速剖面示意圖 76
圖A-1 A=0.95M/S^2風速歷時圖 78
圖A-2 A=1.74M/S^2風速歷時圖 78
圖A-3 A=2.32M/S^2風速歷時圖 79
圖A-4 A=3.81M/S^2風速歷時圖 79
圖B-1 共振響應分佈圖 80

參考文獻 1. A.Nishi ,H Miyagi(1993) “A computer-controlled wind tunnel”,Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,46&47(1993)837-846 Elsevier.
2. J.CAO,S.CAO(2017) “Characteristics and Performances of a Newly-Built Actively-Controlled MultipleFan Wind Tunnel”,9th Asia-Pacific Conference on Wind Engineering Auckland,New Zealand,3-7 December 2017.
3. Yang Zhao,Shuyang Cao(2009)“Simulation of Downburst in a Multiple Fan Wind Tunnel and Research on Its Load on High-Rise Structure byWind Tunnel Experiment. ”,Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation ,August 9-12 ,Changchun,China.
4. Kyle Butler, Shuyang Cao, Yukio Tamura(2010)“Surface pressure and wind load characteristics on prisms immersed In a simulated transient gust front flow field”, Jounal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 98(2010) 299-316
5. T.T.Ma,L.Zhao, Shuyang Cao (2012) “Aerodynamic effects on streamline box girder in active wind tunnel with multiple fans and vibrating airfoils”, The Seventh International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications (BBAA7) ,Shanghai, China; September 2-6, 2012
6. 趙陽 (2010)“突變風實驗模擬與荷載特性研究”, 哈爾濱工業大學博士學位論文,國際圖書分類號:624,2010.
7. 李惕碚(2006)“時變分析的時間尺度譜方法”《物理》 ,2006 ,35(5):367-372
8. 周廣東(2013)“基于小波變換的非平穩脉動風時變功率譜估計方法研究”, 《工程力学》, 2013 ,30(3):89-97
9. 薛全會(2006)“小波分析的應用現狀與前景”,《河北理工學院學報》,第28卷 第一期,2006年2月,文章編號100722829 (2006) 0120046204
10. 朱希安(2003)“小波分析的應用現狀及展望”,《煤田地質與勘探》,第31卷 第2期,2003年4月,文章編號1001-1986(2003)02-0051-05
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