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系統識別號 U0002-2107202011091500
中文論文名稱 加速氣流對於橋面板表面風壓特性之探討
英文論文名稱 Characteristics of wind pressures on bridge deck model in accelerating wind flow
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 林彥良
研究生英文姓名 Yen-Liang Lin
學號 607380119
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-07-03
論文頁數 114頁
口試委員 指導教授-林堉溢
共同指導教授-羅元隆
委員-鄭啟明
委員-羅元隆
委員-陳振華
委員-黃明慧
中文關鍵字 複數風扇風洞  加速氣流  小波分析 
英文關鍵字 Multiple Fan Wind Tunnel  Accelerating Flow  Wavelet Analysis 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究利用位於淡江大學風工程研究中心的主動控制型複數風扇風洞進行深寬比8的橋面板斷面模型氣動力實驗,模擬橋面板受加速氣流時對於風力特性的影響。實驗以兩階段進行,分別進行穩態氣流與加速氣流下,斷面模型表面風壓的瞬時量測,探討在不同的穩態流(低紊流)及加速氣流(低紊流)下,表面風壓分布的特性以及升力、扭轉力係數的差異。結果顯示,在0°風攻角下,上、下表面在x/D = 0 – 0.2 (x為模型迎風面往下游伸展之距離,D則為模型深度)的平均風壓係數有些微提升,x/D = 0.2 – 0.4的平均風壓係數則有些微下降,分別與穩態流有10%及20%的差距;受正風攻角影響時,分離點後風壓係數的增幅會隨風攻角增加而減少,3°風攻角時只增加約5%;負風攻角時,風壓係數在分離點後之增幅保持在10%。風壓係數的擾動在加速流的低風速下,約為穩態流的2.5倍。升力向及扭轉向風力係數在加速氣流下都會比穩態流更大,±3°風攻角下分別增加15%及30%;然而在加速中期可觀察到升力向的擾動值較穩態流增加50%。加速氣流下再接觸點之相關性會比穩態氣流下更低,且再接觸點後相關係數回復狀態不如穩態氣流來得好,穩態氣流約在再接觸點後7公分即回復至-0.9,有良好的負相關,但加速氣流到最後一點才會接近-0.9。最後本研究亦採用小波時頻分析找出0°風攻角在加速段期間渦散頻率由30 Hz上升至90 Hz的現象,而當風攻角不為0°時,再接觸點會出現低頻的能量。
英文摘要 This study examined the aerodynamic behavior of the bridge deck model excited by accelerating wind flows generated by the actively-controllable multiple fan wind tunnel at Tamkang university. The experiment had two phases. The first phase is to make a comparison test under steady flows; the second phase is to collect enough ensemble size of testing results under the accelerating flow. The bridge-deck model was made in an aspect ratio of eight, and the inherent turbulence of the approaching wind is around 2.5%. From the results, the pressure coefficient increased by 10% at the normalized distance x/D = 0 – 0.2 in accelerating case if compared to the steady case. When the position went downstream to x/D = 0.2 – 0.4, the pressure coefficient was reduced by 20%. If the wind attack angle was rotated to positive angles, the amplification due to separation is reduced from 10% to 5% under accelerating flows. On the other hand, if the rotation is negative, the pressure coefficient after the separation point remained consistent. The standard deviation value of the pressure coefficient under the accelerating flow is 2.5 times larger than that under the steady flow. Both the lift and the torsion coefficients in accelerating wind flow are larger than those in the steady flow, where the lift force coefficient increased 15%, and the torsion 30%. The correlation coefficients in accelerating wind flow at the reattachment points are lower than those in the steady flow. Whether the wind attack angle is positive or negative, the correlation coefficients in steady flow returned back to -0.9 at 7 cm behind the reattachment points, and the correlation coefficients in the accelerating wind flow returned to -0.9 at the last point on the top face. This study also used the wavelet transform technique to find out the frequency variation of the vortex shedding increasing from 30 Hz to 90 Hz during the acceleration process. The wavelet analysis results showed how energy transmitted from the low-frequency range to the high-frequency range.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究方法 1
1-3 研究內容 2
1-4 論文架構 2
第二章 文獻回顧 4
2-1 穩態流下橋面板氣動力效應 4
2-2 穩態氣流與加速氣流 10
第三章 理論背景 13
3-1 風對結構物的作用 13
3-1-1 分離(Seperation) 13
3-1-2 再接觸(Reattachment) 13
3-1-3 尾跡(Wake) 14
3-2 風壓係數 15
3-3 風力係數 18
3-4 頻譜分析 19
3-5 小波分析 20
3-5-1 連續小波分析 20
3-5-2 離散小波分析 21
第四章 實驗設置與數據處理分析 22
4-1 風洞實驗室之特性 22
4-2 流場配置 23
4-2-1 穩態氣流 23
4-2-2 加速氣流 25
4-3 斷面模型製作 26
4-4 實驗儀器介紹 28
4-4-1 Cobra風速計 28
4-4-2 風壓量測系統 29
4-5 氣動力實驗流程 31
第五章 實驗結果與討論 33
5-1 風壓係數 33
5-1-1 穩態氣流下之風壓係數 33
5-1-2 加速氣流下之風壓係數 41
5-2 風力係數 70
5-2-1 穩態氣流下之風力係數 70
5-2-2 加速氣流下之風力係數 71
5-3 頻譜分析 76
5-3-1 風速頻譜 76
5-3-2 風壓係數頻譜 77
5-4 相關性 84
5-4-1 穩態氣流與表面風壓之相關性分析 84
5-4-2 加速氣流與表面風壓之相關性分析 89
5-5 小波分析 90
第六章 結論與建議 95
6-1 結論 95
6-2 建議 97
參考文獻 98
[附錄A]小波分析圖 99

表目錄
表 4- 1不同風速之流場特性 24
表 5- 1不同風速之渦散頻率與史特赫數 77


圖目錄
圖 2- 1平滑流場中正風攻角下弦向平均風壓係數分佈 4
圖 2- 2平滑流場中負風攻角下弦向平均風壓係數分佈 5
圖 2- 3平滑流場中正風攻角下弦向擾動風壓係數分佈 5
圖 2- 4平滑流場中負風攻角下弦向擾動風壓係數分佈 6
圖 2- 5平滑流場中不同風攻角下軸向第一排平均風壓係數分佈 7
圖 2- 6平滑流場中不同風攻角下軸向第二排平均風壓係數分佈 7
圖 2- 7平滑流場中不同風攻角下軸向第三排平均風壓係數分佈 7
圖 2- 8不同流場下(a)拖曳向平均風力係數(b)拖曳向擾動風力係數 8
圖 2- 9不同流場下(a)升力向平均風力係數(b)升力向擾動風力係數 9
圖 2- 10不同流場下(a)扭轉向平均風力係數(b)扭轉向擾動風力係數 9
圖 2- 11不同流場與深寬比之(a) 〈C_D 〉 (b) 〈C_L^' 〉 (c) 〈|C ̂_L |〉 (d) 〈St〉 (擷取自Yang and Mason(2019)【2】) 11
圖 2- 12不同流場與深寬比之風壓係數(擷取自Yang and Mason(2019)【2】) 12

圖 3- 1分離流與渦漩形成示意圖(a)矩柱分離現象(b)鈍體斷面再接觸現象(擷取自徐佳煌(2006)【3】) 14
圖 3- 2高斯分佈(a)機率密度函數(b)累積機率密度函數 17

圖 4- 1淡江大學風工程研究中心複數風洞實驗室結構圖 22
圖 4- 2斷面模型架設圖 23
圖 4- 3不同風速之風速剖面 24
圖 4- 4加速氣流之風速歷時 25
圖 4- 5風壓孔配置圖 26
圖 4- 6模型中央風壓孔之編號 27
圖 4- 7 Cobra風速計 28
圖 4- 8壓力量測系統示意圖 30
圖 4- 9壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 30
圖 4- 10壓力感應器模組 30
圖 4- 11實驗架設示意圖 31
圖 4- 12 Cobra架設位置示意圖 32
圖 4- 13端板示意圖 32

圖 5- 1實驗結果與前人實驗結果比較 34
圖 5- 2風攻角0°風速4 m/s之平均風壓係數 34
圖 5- 3風攻角0°風速5 m/s之平均風壓係數 35
圖 5- 4風攻角0°風速6 m/s之平均風壓係數 35
圖 5- 5風攻角0°風速7 m/s之平均風壓係數 36
圖 5- 6風攻角0°風速8 m/s之平均風壓係數 36
圖 5- 7風攻角0°風速9 m/s之平均風壓係數 37
圖 5- 8風攻角0°風速10 m/s之平均風壓係數 37
圖 5- 9風攻角0°風速11 m/s之平均風壓係數 38
圖 5- 10風攻角0°風速11.5 m/s之平均風壓係數 38
圖 5- 11風攻角0°風速12 m/s之平均風壓係數 39
圖 5- 12穩態氣流在不同風速之上表面風壓係數比較圖 39
圖 5- 13正風攻角作用下之上表面平均風壓係數 40
圖 5- 14負風攻角作用下之上表面平均風壓係數 40
圖 5- 15加速氣流〈U〉= 5 m/s風攻角0°之平均風壓係數 42
圖 5- 16加速氣流〈U〉= 6 m/s風攻角0°之平均風壓係數 42
圖 5- 17加速氣流〈U〉= 7 m/s風攻角0°之平均風壓係數 43
圖 5- 18加速氣流〈U〉= 8 m/s風攻角0°之平均風壓係數 43
圖 5- 19加速氣流〈U〉= 9 m/s風攻角0°之平均風壓係數 44
圖 5- 20加速氣流〈U〉= 10 m/s風攻角0°之平均風壓係數 44
圖 5- 21加速氣流〈U〉= 11 m/s風攻角0°之平均風壓係數 45
圖 5- 22穩態氣流與加速氣流在風攻角0°之上表面風壓係數比較圖 47
圖 5- 23穩態氣流與加速氣流在風攻角1°之上表面風壓係數比較圖 47
圖 5- 24穩態氣流與加速氣流在風攻角2°之上表面風壓係數比較圖 48
圖 5- 25穩態氣流與加速氣流在風攻角3°之上表面風壓係數比較圖 48
圖 5- 26穩態氣流與加速氣流在風攻角-1°之上表面風壓係數比較圖 49
圖 5- 27穩態氣流與加速氣流在風攻角-2°之上表面風壓係數比較圖 49
圖 5- 28穩態氣流與加速氣流在風攻角-3°之上表面風壓係數比較圖 50
圖 5- 29加速氣流〈U〉= 5 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 52
圖 5- 30加速氣流〈U〉= 6 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 52
圖 5- 31加速氣流〈U〉= 7 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 53
圖 5- 32加速氣流〈U〉= 8 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 53
圖 5- 33加速氣流〈U〉= 9 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 54
圖 5- 34加速氣流〈U〉= 10 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 54
圖 5- 35加速氣流〈U〉= 11 m/s風攻角0°之上表面風壓係數的擾動 55
圖 5- 36加速氣流〈U〉= 5 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 55
圖 5- 37加速氣流〈U〉= 6 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 56
圖 5- 38加速氣流〈U〉= 7 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 56
圖 5- 39加速氣流〈U〉= 8 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 57
圖 5- 40加速氣流〈U〉= 9 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 57
圖 5- 41加速氣流〈U〉= 10 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 58
圖 5- 42加速氣流〈U〉= 11 m/s風攻角3°之上表面風壓係數的擾動 58
圖 5- 43加速氣流〈U〉= 5 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 59
圖 5- 44加速氣流〈U〉= 6 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 59
圖 5- 45加速氣流〈U〉= 7 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 60
圖 5- 46加速氣流〈U〉= 8 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 60
圖 5- 47加速氣流〈U〉= 9 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 61
圖 5- 48加速氣流〈U〉= 10 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 61
圖 5- 49加速氣流〈U〉= 11 m/s風攻角-1°之上表面風壓係數的擾動 62
圖 5- 50加速氣流〈U〉= 5 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 62
圖 5- 51加速氣流〈U〉= 6 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 63
圖 5- 52加速氣流〈U〉= 7 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 63
圖 5- 53加速氣流〈U〉= 8 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 64
圖 5- 54加速氣流〈U〉= 9 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 64
圖 5- 55加速氣流〈U〉= 10 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 65
圖 5- 56加速氣流〈U〉= 11 m/s風攻角-2°之上表面風壓係數的擾動 65
圖 5- 57加速氣流〈U〉= 5 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 66
圖 5- 58加速氣流〈U〉= 6 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 66
圖 5- 59加速氣流〈U〉= 7 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 67
圖 5- 60加速氣流〈U〉= 8 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 67
圖 5- 61加速氣流〈U〉= 9 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 68
圖 5- 62加速氣流〈U〉= 10 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 68
圖 5- 63加速氣流〈U〉= 11 m/s風攻角-3°之上表面風壓係數的擾動 69
圖 5- 64穩態氣流下不同風攻角之升力向風力係數及扭轉向風力係數 70
圖 5- 65穩態氣流與加速氣流在不同風攻角之升力向風力係數 72
圖 5- 66穩態氣流與加速氣流在不同風攻角之扭轉向風力係數 72
圖 5- 67穩態氣流與加速氣流在同一風速之升力向及扭轉向風力係數 73
圖 5- 68穩態氣流與加速氣流在風攻角0°之擾動風力係數比較圖 74
圖 5- 69穩態氣流與加速氣流在風攻角3°之擾動風力係數比較圖 75
圖 5- 70穩態氣流與加速氣流在風攻角-3°之擾動風力係數比較圖 75
圖 5- 71穩態氣流與加速氣流之風速頻譜比較 76
圖 5- 72模型中央風壓孔之編號 77
圖 5- 73不同穩態氣流在風攻角0°時上下表面平均風壓係數之差 78
圖 5- 74穩態氣流U = 4 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 78
圖 5- 75穩態氣流U = 5 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 79
圖 5- 76穩態氣流U = 6 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 79
圖 5- 77穩態氣流U = 7 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 80
圖 5- 78穩態氣流U = 8 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 80
圖 5- 79穩態氣流U = 9 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 81
圖 5- 80穩態氣流U = 10 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 81
圖 5- 81穩態氣流U = 11 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 82
圖 5- 82穩態氣流U = 12 m/s在風攻角0°時上下表面平均風壓係數差之頻譜 82
圖 5- 83加速氣流在風攻角0°時上下表面風壓係數差之頻譜 83
圖 5- 84不同穩態氣流在風攻角0°時上下表面之相關係數 85
圖 5- 85不同穩態氣流在風攻角1°時上下表面之相關係數 85
圖 5- 86不同穩態氣流在風攻角2°時上下表面之相關係數 86
圖 5- 87不同穩態氣流在風攻角3°時上下表面之相關係數 86
圖 5- 88不同穩態氣流在風攻角-1°時上下表面之相關係數 87
圖 5- 89不同穩態氣流在風攻角-2°時上下表面之相關係數 87
圖 5- 90不同穩態氣流在風攻角-3°時上下表面之相關係數 88
圖 5- 91加速氣流在不同風攻角之上下表面相關係數 89
圖 5- 92模型中央風壓孔之編號 91
圖 5- 93 0°風攻角〈Cp(6)〉-〈Cp(29)〉之小波分析 91
圖 5- 94 0°風攻角〈Cp(7)〉-〈Cp(28)〉之小波分析 92
圖 5- 95 1°風攻角〈Cp(5)〉-〈Cp(30)〉之小波分析 92
圖 5- 96 1°風攻角〈Cp(6)〉-〈Cp(29)〉之小波分析 93
圖 5- 97 2°風攻角〈Cp(4)〉-〈Cp(31)〉之小波分析 93
圖 5- 98 2°風攻角〈Cp(5)〉-〈Cp(30)〉之小波分析 94
圖 5- 99 3°風攻角〈Cp(4)〉-〈Cp(31)〉之小波分析 94

圖 A- 1 0°風攻角〈Cp(1)〉-〈Cp(34)〉之小波分析 99
圖 A- 2 0°風攻角〈Cp(2)〉-〈Cp(33)〉之小波分析 99
圖 A- 3 0°風攻角〈Cp(3)〉-〈Cp(32)〉之小波分析 100
圖 A- 4 0°風攻角〈Cp(4)〉-〈Cp(31)〉之小波分析 100
圖 A- 5 0°風攻角〈Cp(5)〉-〈Cp(30)〉之小波分析 101
圖 A- 6 0°風攻角〈Cp(6)〉-〈Cp(29)〉之小波分析 101
圖 A- 7 0°風攻角〈Cp(7)〉-〈Cp(28)〉之小波分析 102
圖 A- 8 0°風攻角〈Cp(8)〉-〈Cp(27)〉之小波分析 102
圖 A- 9 1°風攻角〈Cp(1)〉-〈Cp(34)〉之小波分析 103
圖 A- 10 1°風攻角〈Cp(2)〉-〈Cp(33)〉之小波分析 103
圖 A- 11 1°風攻角〈Cp(3)〉-〈Cp(32)〉之小波分析 104
圖 A- 12 1°風攻角〈Cp(4)〉-〈Cp(31)〉之小波分析 104
圖 A- 13 1°風攻角〈Cp(5)〉-〈Cp(30)〉之小波分析 105
圖 A- 14 1°風攻角〈Cp(6)〉-〈Cp(29)〉之小波分析 105
圖 A- 15 1°風攻角〈Cp(7)〉-〈Cp(28)〉之小波分析 106
圖 A- 16 1°風攻角〈Cp(8)〉-〈Cp(27)〉之小波分析 106
圖 A- 17 2°風攻角〈Cp(1)〉-〈Cp(34)〉之小波分析 107
圖 A- 18 2°風攻角〈Cp(2)〉-〈Cp(33)〉之小波分析 107
圖 A- 19 2°風攻角〈Cp(3)〉-〈Cp(32)〉之小波分析 108
圖 A- 20 2°風攻角〈Cp(4)〉-〈Cp(31)〉之小波分析 108
圖 A- 21 2°風攻角〈Cp(5)〉-〈Cp(30)〉之小波分析 109
圖 A- 22 2°風攻角〈Cp(6)〉-〈Cp(29)〉之小波分析 109
圖 A- 23 2°風攻角〈Cp(7)〉-〈Cp(28)〉之小波分析 110
圖 A- 24 2°風攻角〈Cp(8)〉-〈Cp(27)〉之小波分析 110
圖 A- 25 3°風攻角〈Cp(1)〉-〈Cp(34)〉之小波分析 111
圖 A- 26 3°風攻角〈Cp(2)〉-〈Cp(33)〉之小波分析 111
圖 A- 27 3°風攻角〈Cp(3)〉-〈Cp(32)〉之小波分析 112
圖 A- 28 3°風攻角〈Cp(4)〉-〈Cp(31)〉之小波分析 112
圖 A- 29 3°風攻角〈Cp(5)〉-〈Cp(30)〉之小波分析 113
圖 A- 30 3°風攻角〈Cp(6)〉-〈Cp(29)〉之小波分析 113
圖 A- 31 3°風攻角〈Cp(7)〉-〈Cp(28)〉之小波分析 114
圖 A- 32 3°風攻角〈Cp(8)〉-〈Cp(27)〉之小波分析 114
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