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系統識別號 U0002-2001201011474600
中文論文名稱 半圓頂大跨度屋蓋結構在平滑流場及大氣邊界層流場中之風載重特性
英文論文名稱 characteristic of wind load on a hemispherical dome in smooth flow and tubulent boundary layer flow
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 傅仲麟
研究生英文姓名 Chung-Lin Fu
學號 890310021
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2009-10-16
論文頁數 155頁
口試委員 指導教授-鄭啟明
委員-方富民
委員-陳若華
委員-盧博堅
委員-吳重成
委員-李世鳴
委員-鄭啟明
中文關鍵字 大跨度  半球體  風洞實驗  雷諾數 
英文關鍵字 long span  Hemisphere  wind tunnel test  Reynolds number 
學科別分類
中文摘要 近年來對於容納數萬人的體育場館或儲存大量工業原料的儲存空間之建築需求越趨殷切,而在利用風洞試驗評估此大跨度曲面結構屋蓋之受風載重時,曲面造型之風壓分佈會隨雷諾數之變化,而有不同的分佈狀況。本文之主要研究會分為三個階段,第一階段是以可視化方式,初步瞭解半圓球曲面屋頂在不同雷諾數周邊流場特性。而第二階段,將針對半圓球曲面屋頂建築,在平滑流場及紊流邊界層流場條件下進行較完整雷諾數範圍(約為7×104~2×106)之風洞試驗,並針對風壓分佈及風壓特性之深入探討。第三階段將針對不同雷諾數及不同紊流條件下之風壓分佈及風載重特性進行試驗及討論。
研究結果顯示,在平滑流場條件下,在雷諾數小於2.0×105時,氣流接觸半球體後,在半球體表面形成層流邊界層,而後約於85度與半球體分離。當雷諾數大於3.0×105時,因邊界層由層流轉變為紊流,分離點往下游延伸,並且形成separation bubble,因此使得流體分離後的區域大幅縮減,因而使得在臨界雷諾數處阻力大幅下降。
在紊流邊界層的流場條件下,紊流邊界層流場之臨界雷諾數會低於平滑流場之臨界雷諾數。因此在雷諾數大於1.8×105時,流場開始保持較穩定狀態。因此,壓力分佈及風力係數皆達到穩定狀態。而與平滑流場比較,紊流邊界層流場條件下,除了在分離點附近會有較大之擾動風壓外,約20度處受邊界層大尺度紊流影響,亦會產生較大的擾動風壓。
此外,當大跨度建築所在流場整體紊流強度大於15%時,即使雷諾數低於2.0×105,建築物所受風壓特性亦不受雷諾數之影響。但若雷諾數大於3.0×105,則即使紊流強度偏低,則建築物所受風壓特性亦可維持穩定不再隨雷諾數變化而變動,但不同紊流強度其風壓特性會有所不同。由POD模態分析結果可知,在紊流強度較大的流場條件下,其擾動能量較集中於前幾個模態,而紊流強度較低的流場條件下,擾動能量較分散於各個模態上。此外,紊流強度除影響能量分佈外,亦會影響模態分佈形狀。
英文摘要 Due to the structural efficiency and economic benefit, the hemispherical dome is a common structural geometry shape for large span sports stadiums or for storage purposes. The curved shape makes the accurate estimation of the wind pressure fluctuations on a hemispherical dome a difficult task due to the Reynolds number effects.
A series of wind tunnel tests were performed to investigate the effects of Reynolds number on the aerodynamic characteristics of hemispherical dome in smooth and turbulent boundary layer flows. Reynolds number of this study varies from 5.3 × 104 to 2.0 × 106. Instantaneous pressures were measured through high frequency electronic scanner system. Mean and RMS pressure coefficients on the center meridian and the overall pressure patterns of domes were calculated for comparative study. The results indicate that, In the smooth flow, the transition phenomenon of separated free shear layer occurs near Re=1.8×105 ~ 3.0×105;The separation/reattachment occurs in this Reynolds number region. The mean and R.M.S. pressure distributions become relatively stable after Re>3.0×105. The mean meridian drag coefficient decreases with Reynolds number for Re<3.0×105, and then increase monotonically up to Re=2.0×106; RMS meridian drag coefficient shows maximum and minimum values at Re≒1.5×105 and 3.0×105, respectively. The correlation coefficients of mean and RMS pressure contours indicate that, the pressure distributions become relatively stable at Re=2.0~3.0×105.
In turbulent flow, the transition phenomenon of separated free shear layer occurs at a lower Reynolds number, Re<1.1×105, and both mean and RMS pressure distributions approach Reynolds number independent when Re=1.2~1.5×105. The mean and RMS meridian drag coefficients, Cd and Cd’, become invariant when Re>2×105. The correlation coefficients of mean and RMS pressure contours indicate that, in turbulent boundary layer flow, the pressure distributions become Reynolds number independent at Re=1.0~2.0×105.
The Proper Orthogonal Decomposition (POD) was then applied to the pressure measurements of the uniformly distributed dome to study the wind load patterns of the hemisphere dome in both smooth and turbulent boundary layer flows. For a hemisphere dome submerges in a turbulent flow, the fluctuating energy concentrated the few POD mode. For the dome in smooth flow, however, the fluctuating energy is spread over large number of POD modes.
論文目次 目錄

第 一 章 緒 論
1-1 前言 1
1-2 研究計劃 2
第 二 章 氣流流經鈍體之流場特性
2-1 流體之特性 4
2-2 氣流流經鈍體之行為 5
2-3 氣流流經圓柱體之行為 7
2-4 氣流流經球體之行為 8
2-5 氣流流經半球體之行為 10
2-6 氣動力基本參數 12
第 三 章 實驗設置與研究方法
3-1 前言 14
3-2 風洞設備及流場模擬 14
3-3 大氣邊界層及大氣邊界層的風洞模擬 15
3-4 流場可視化 21
3-5 壓力模型 22
3-6 風壓量測系統與風速量測系統 23
3-7 相關散漫振動分析定義和性質 24
3-8 管線系統訊號的校正 26
3-9 實驗數據採樣技巧及誤差 27
3-10 擾動風壓之模態分析 28
第 四 章 半圓頂大跨度屋蓋之周邊流場特性與可視化
4-1 流場可視化 33
4-2 周邊流場特性 35
第 五 章 半圓頂大跨度屋蓋於平滑流場內之風壓特性
5-1 前言 37
5-2 平均風壓係數分佈 37
5-3 擾動風壓係數分佈 38
5-4 擾動風壓頻譜特性 39
5-5 擾動壓力相關係數及相關長度 44
5-6 半球體表面之風壓係數分佈 46
5-7 半球體之風力係數 47
第 六 章 半圓頂大跨度屋蓋於邊界層紊流場內之風壓特性
6-1 前言 48
6-2 風壓係數分佈 48
6-3 紊流邊界層流場下擾動風壓頻譜特性 49
6-4 擾動壓力相關係數及相關長度 52
6-5 半球體表面之風壓係數分佈 53
6-6 半球體之風力係數 54
第 七 章 不同紊流邊界層對半圓頂大跨度屋蓋風壓分佈之影響
7-1 邊界層流場特性 55
7-2 風壓係數分佈 55
7-3 風壓係數等壓線分佈 56
7-4 半球體之風力係數 57
7-5 半球體擾動風壓POD振態分析 57
第 八 章 結論與展望
8-1 結論 60
8-2 建議與展望 65
參考文獻 66
附 圖 70
圖2-1 圓管流中層流與紊流之流況 70
圖2-2 邊界層之發展 71
圖2-3 機翼斷面上所發展之邊界層 71
圖2-4 圓柱體上邊界層之分離及渦漩形成過程 71
圖2-5 在鈍體後方邊界層分離之發展過程 72
圖2-6 在分離位置附近的邊界層流線 72
圖2-7 Re<1,極低雷諾數時流體通過圓柱之流線 73
圖2-8(a) Re=1.54,流體通過圓柱體之流線 73
圖2-8(b) Re=9.6,流體通過圓柱體之流線 74
圖2-8(c) Re=13.1,流體通過圓柱體之流線 74
圖2-8(d) Re=26,流體通過圓柱體之流線 75
圖2-9(a) Re=105,流體通過圓柱體後產生Karman vortex street 75
圖2-9(b) Re=140,流體通過圓柱體後產生Karman vortex street 76
圖2-10 Re=104,流體通過圓柱體後產生渦漩因紊流混合作用而打散 76
圖2-11 圓柱體阻力係數隨雷諾數變化情形 77
圖2-12 Re<1極低雷諾數時流體通過圓球之流線 77
圖2-13 極低雷諾數之球體表面壓力分佈理論值 78
圖2-14 Re=9 低雷諾數時流體通過圓球之流線 78
圖2-15 Re=26.8 低雷諾數時流體通過圓球之流線 79
圖2-16 Re=118 低雷諾數時流體通過圓球之流線 79
圖2-17 球體阻力係數隨雷諾數變化情形 80
圖2-18 Re=1.5×105流體在圓球下游之平均流線 80
圖2-19 Re=3.0×105流體在圓球下游之平均流線 81
圖2-20 流體流經圓球之四個分區 81
圖2-21 低雷諾數下半球體周邊之流場狀況 82
圖3-1 淡江大學風工程研究中心第二風洞實驗館立面圖 83
圖3-2 內政部建築研究所台南縣歸仁風洞實驗館第二試驗段 84
圖3-3 紊流邊界層流場之風速剖面與紊流剖面 85
圖3-4 不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 85
圖3-4 不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 85
圖3-5半圓球壓力測點座標系圖 86
圖3-6 壓力量測系統 87
圖3-7 風速量測系統(cobra probe) 88
圖4-1 不同雷諾數下半球體流場可視化側視圖 89
圖4-2 不同雷諾數下半球體流場可視化上視圖 92
圖4-3 半球體下游風速量測之範圍及量測位置 95
圖4-4 半球體下游平均風速分佈及流線分佈 96
圖4-5 半球體下游擾動風速分佈 97
圖4-6 半球體下游渦度(vorticity)分佈 98
圖5-1 相同雷諾數下不同模型之壓力分布比較 99
圖5-2 平滑流場中半球體中心子午線上平均風壓分佈 100
圖5-3 平滑流場中半球體中心子午線上擾動風壓均方根值分佈 101
圖5-4 平滑流場中半球體中心子午線上擾動風壓頻譜(dome S) 102
圖5-5 平滑流場中半球體中心子午線上擾動風壓頻譜(dome M) 104
圖5-6 平滑流場中半球體中心子午線上擾動風壓頻譜(dome L) 106
圖5-7 各風壓點間相關係數分佈 108
圖5-8 風壓相關長度分佈 110
圖5-9 平滑流場中Dome S表面平均風壓分佈 111
圖5-10 平滑流場中Dome M表面平均風壓分佈 112
圖5-11 平滑流場中Dome L表面平均風壓分佈 113
圖5-12 平滑流場中Dome S表面擾動風壓分佈 114
圖5-13 平滑流場中Dome M表面擾動風壓分佈 115
圖5-14 平滑流場中Dome L表面擾動風壓分佈 116
圖5-15 在平滑流場中大跨度屋蓋表面風壓分佈之相關係數 117
圖5-16 在平滑流場中大跨度屋蓋中心子午線平均阻力係數 117
圖5-17 在平滑流場中大跨度屋蓋中心子午線擾動阻力係數 118
圖6-1 紊流邊界層流場中半球體中心子午線上平均風壓分佈 119
圖6-2 紊流邊界層流場中半球體中心子午線上擾動風壓分佈 120
圖6-3 邊界層紊流場中半球體中心子午線上擾動風壓頻譜(dome S) 121
圖6-4邊界層紊流場中半球體中心子午線上擾動風壓頻譜(dome M) 123
圖6-5 邊界層紊流場中半球體中心子午線之擾動風壓頻譜(dome L) 125
圖6-6 各風壓點間相關係數分佈 127
圖6-7 風壓相關長度分佈 129
圖6-8 邊界層紊流場中Dome S表面平均風壓分佈 131
圖6-9 邊界層紊流場中Dome M表面平均風壓分佈 132
圖6-10 邊界層紊流場中Dome L表面平均風壓分佈 133
圖6-11 邊界層紊流場中Dome S表面擾動風壓分佈 134
圖6-12 邊界層紊流場中Dome S表面擾動風壓分佈 135
圖6-13 邊界層紊流場中Dome S表面擾動風壓分佈 136
圖6-14 在邊界層紊流場中大跨度屋蓋表面風壓分佈之相關係數 137
圖6-15 在邊界層紊流場中大跨度屋蓋中心子午線平均阻力係數 137
圖6-16 在邊界層紊流場中大跨度屋蓋中心子午線擾動阻力係數 138
圖7-1(a) A地況風速剖面及紊流強度分佈 139
圖7-1(b) B地況風速剖面及紊流強度分佈 139
圖7-1(c) C1地況風速剖面及紊流強度分佈 140
圖7-1(d) C2地況風速剖面及紊流強度分佈 140
圖7-1(e) C3地況風速剖面及紊流強度分佈 141
圖7-2 紊流邊界層流場中半球體中心子午線上之平均風壓分佈 142
圖7-3 紊流邊界層流場中半球體中心子午線上之擾動風壓分佈 144
圖7-4 各種地況下半球體中心子午線上之風壓分佈 146
圖7-5 各種地況下半球體表面之平均風壓分佈(Re=3.0×105) 147
圖7-6 各種地況下半球體表面之擾動風壓分佈(Re=3.0×105) 148
圖7-7 各種地況下半球體中心子午線之平均阻力係數 149
圖7-8 各種地況下半球體中心子午線之擾動阻力係數 149
圖7-9 各種地況下半球體結構POD模態特徵值累計分佈圖 150
圖7-10 A地況擾動風壓POD 模態分佈 151
圖7-11 B地況擾動風壓POD 模態分佈 152
圖7-12 C1地況擾動風壓POD 模態分佈 153
圖7-13 C2地況擾動風壓POD 模態分佈 154
圖7-14 C3地況擾動風壓POD 模態分佈 155

參考文獻 參考文獻

[1] N. H. Johannesen, 1952. Philosophical magazine, 43, 568-580.
[2] H. Schlichting, K. Gersten, Boundary Layer Theory, 8th Revised and Enlarged Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York.
[3] M.Van Dyke, An Album of Fluid Motion, Parabolic Press, Stanford, California.
[4]Sadatoshi Taneda, 1956, Experimental Investigation of the Wakes behind Cylinders and Plates at Low Reynolds Numbers, J. Phys. Soc. Jpn. 11 ,302-307.
[5]Sadatoshi Taneda, 1959, Downstream Development of the Wakes behind Cylinders, J. Phys. Soc. Jpn. 14 ,834-848.
[6]Stuart Winston Churchill, Viscous Flows The Practical Use of Theory, Butterworth Publishers, Stoneham, MA.
[7]H. Higuchi, H. J. Kim, C. Farell, 1989. On flow separation and reattachment around a circular cylinder at critical Reynolds numbers, J. Fluid Mech. Vol. 200, 565-575.
[8]M.Coutanceau, 1968, Mouvement uniforme d’une sphère dans l’axe d’un cylindre contenant un liquide visqueux, Journal de mécanique théorique et appliquée 7, 49-67.
[9]Churchill, Stuart Winston, Viscous flows : the practical use of theory, Boston Butterworths.
[10] M.Coutanceau, M. payard, 1972, C. R. Acad. Sci. Ser. A 274,853-856.
[11] Sadatoshi Taneda, 1956, Experimental Investigation of the Wake behind a Sphere at Low Reynolds Numbers, J. Phys. Soc. Jpn. 11 pp. 1104-1108
[12]Werlé, H. 1980, Rech. Aérosp. 1980-5, 35-49.
[13] Achenbach, 1972. Experiments on the flow past spheres at very high Reynolds Numbers, J. Fluid Mech. Vol. 54, part 3, 565-575.
[14]M.C. Good and P.N. Joubert, 1968, the form drag of two dimensional biuff plates immersed in a turbulent boundary layer, J. Fluid Mech. Vol. 31, 547-582.
[15]K.G. Range Raju, J. loeser and E.j. Plate, 1976, Velocity profile and fence drag for turbulent boundary layer along smooth and rough flat plates, J. Fluid Mech. Vol. 76, 383-399.
[16]H. Sakamoto, M. Moriya and M. Arie, 1975, A study on the flow around bluff bodies immersed in turbulent boundary layers, Part 1, Bull. Jpn. Soc. Mech. Eng., 18, 1126-1133.
[17]I.P. Castro and A.G. Robins, 1977, The flow around a surface-mounted cube in uniform and turbulent streams, J. Fluid Mech. Vol. 79, 307-335.
[18]H. Sakamoto, S. Taniguchi, M. Moriya and M. Arie, 1980, A study on the flow around cubes immersed in turbulent boundary layers. Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., 46, 1437-1446.
[19] S. Taniguchi, H. Sakamoto and M. Arie, 1981, Flow around circular cylinder of finite height placed vertically in turbulent boundary layers, Bull. Jpn. Soc. Mech. Eng., 24, 1130-1136.
[20] F.J. Maher, Wind loads on basic dome shapes, 1965. J. Struct. Div. ASCE ST3, 219-228.
[21]N. Toy, W.D. Moss, E. Savory, 1983. Wind tunnel studies on a dome in turbulent boundary layers, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 1, 201-212.
[22]T.J. Taylor, 1991. Wind pressures on a hemispherical dome, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 40, 199-213.
[23] T.Ogawa, M. Nakayama, S. Murayama, Y. Sasaki, 1991. Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 38, 427-438.
[24] C.W. Letchford, P.P. Sarkar, 2000. Mean and fluctuating wind loads on rough and smooth parabolic domes, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 88, 101–117.
[25] R.N. Meroney, C.W. Letchford, P.P. Sarkar, 2002. Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth, rough and dual domes immersed in a boundary layer, Wind and Structures. Vol. 5, No. 2, 347–358.
[26] E. Savory, N. Toy, 1986,Hemispheres and Hemisphere-Cylinder in Turbulent Boundary Layers, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364.
[27]E. Simiu and R.H. Scanlan, 1996, "Wind Effect on Structures", Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, 3rd edition.
[28]Tennekes H. & J.L. Lumley, 1972, “A First Course in Turbulence”, The Massachusetts Institute of Technology.
[29]Davenport,A. G. , 1967, " Gust Loading Factors",J. Struc. Div., ASCE, Vol. 93, No. ST3, pp. 11-34 .
[30]Harris, R. I., 1968, " On the Spectrum and Auto-correlation Function of Gustiness in High Winds ", Electrical Research Association Rep., No. 5273.
[31]Kaimal, J. C. et al., 1972, " Spectral Characteristics of Surface-Layer Turbulence ", J. Royal Meteorol. Soc., 98 pp. 563-589.
[32]Armitt, J. & Counihan, J., 1968, "The Simulation of the Atmospheric Environment", Vol.2., pp.49-71.
[33]Counihan, J., 1970, "An Improved Method of Simulationan Atmospheric Boundary Layer“, Atmospheric Environment, Vol.4, pp.159-275 .
[34]Counihan, J., 1970, " Futher Measurements in a Simulated Atmospheric Bounday Layer", Atmospheric Environment, Vol.4, pp.159-275.
[35]Counihan, J.,1973, " Simulation of an Adiabatic Urban Boundary Layer in a Wind Tunnel" Atmospheric Environment, Vol.7, pp.673-689.
[36]Standen, N. M., 1972, "A Spire Array for Generating Thick Turbulent Shear Layers for Natural Wind Simulation in Wind Tunnels", Rep. LTR-LA-94, National Aeronautical Establishment, Ottwa, Cannada.
[37]Barret, R.V., 1972, "A Versatile Compact Wind Tunnel for Industrial Aerodynamics" Technical note, Atmospheric Environment, Vol.6, pp.491-495.
[38]Cook, N. J., 1973, "On Simulating the lower Third of the Urban Adiabatic Boundary Layer in a Wind Tunnel" Atmospheric Environment , Vol.7, pp.691-705.
[39] Cermak, J. E. & J.A. Peterka, 1974, " Simulation of Atmospheric Flows in Short Wind Tunnel Test Sections" Center for Building Technology, IAT, National Bureauof Standards Washington, D.C.
[40] “RAD 3200 Instruction and Service Manual”, 2005, Scanivalve Corp.
[41] Bedat, J.S. & A.G. Piersol, 1986, “Random Data Analysis and Measurement Procedures,” Second Edition, John Wiley and Sons Inc. New York.
[42] Ginger J.D., "Wind load and response of grandstand roofs", Texas Tech University. Wind Science & Engineering, pp. 1603~1610.
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