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系統識別號 U0002-2907201109570600
中文論文名稱 不同地形之邊界層特性之風洞模擬
英文論文名稱 Wind tunnel investigation on the different topography of characteristics of atmospheric boundary layer
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 郭庭瑋
研究生英文姓名 Ting-Wei Kuo
學號 698380051
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-22
論文頁數 110頁
口試委員 指導教授-鄭啟明
委員-蕭葆羲
委員-陳瑞華
中文關鍵字 大氣邊界層  粗糙元素  風洞實驗 
英文關鍵字 boundary layer  roughness blocks  wind tunnel 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 隨著科技發展、醫學進步,人口逐漸現象,但在有限的土地上求生活空間,所以建築物有向上發展的趨勢,加上政府近年來推動都市更新的計畫,都市中存在著越來越多的高層建築。
因此若我們要探討不同地形在流場上的差異,勢必要進行風洞實驗的模擬。在過去風洞實驗中將地形區分為城市、郊區、平坦地形三種標準地況。但如果要進行一個真實地形的邊界層模擬,在製作該地形的縮尺模型上需要耗費大量的人力與時間。本研究希望能將真實地形模擬成單一均勻的粗糙方塊,利用該地形代表著原實場地型進行風洞實驗。若能找出一個適當的設計方法進行模擬,在未來進行風洞實驗時可以節省許多的經費與時間。並且,在實場量測中我們無法得知大氣邊界層的紊流特性,透過風洞實驗的結果,我們能更了解該地形的邊界層特性。
研究結果顯示:我們可以利用建物平均高度與密度來模擬我們欲求的地況,在風速頗面、紊流與紊流尺度都與實驗十分相符。以von-Karman經驗公式為參考,頻譜所模擬出的結果也吻合。因此利用該方法進行粗糙元素的設計皆有不錯的相似性。
英文摘要 Before, we only have three typical terrain’s roughness blocks. If we want to know a real topography’s wind feature, we have to make a reduced scale’s model to simulate it. But it will be waste human resources and spend a lot of time and money. So if we can find some way to use roughness blocks to simulate the real topography, it will be more efficiently. On the other hand, in the field measurement we can’t got the information of the turbulence. If we successfully use the way to simulate terrain, we can got more information of terrain.
The results show that we can use the mean height of the build and density of the terrain to simulate the real topography. In roughness block’s experiment, we successfully simulate the wind profile, turbulence intensity and turbulence length scale.
論文目次 目錄
第壹章、緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究方法與內容 2
1.4 論文架構 3
第貳章、文獻回顧 4
2-1 風洞實驗 4
2-1-1 大氣邊界層流場之風洞模擬 4
2-1-2 雷諾數效應 5
2.2 粗糙元素 7
2.3 粗糙元素的間隔對流場的影響 7
2.4 流場發展長度(FETCH)長度的限制 8
2.5 粗糙長度的計算 8
2.5.1 實場對於粗糙長度的估算 9
2.5.2 對於roughness blocks的粗糙長度公式 9
2.6 零平面高度 11
2.6.1 零平面高度的計算 11
2-7 粗糙長度與Α值的關係 12
第参章、理論背景 15
3.1 大氣邊界層紊流特性 15
3.1.1 風速剖面(wind profile) 16
3.1.2 紊流強度(turbulence intensity) 18
3.1.3 紊流長度尺度(turbulence length scale) 19
3.1.4 紊流頻譜 21
3.1.5 空間相關函數 23
3.1.6 陣風因子(gust factor) 24
3.2 平均風速與擾動風速之計算 25
第肆章、 風洞設備與實場量測 26
4-1 風洞實驗室 26
4-2 大氣邊界層流場之模擬 27
4-3 實驗數據及採樣分析 29
4-4風洞實驗測量儀器 30
4-4-1測量儀器- COBRA PROBE 30
4-4-2測量儀器-熱膜探針(Hot Film Probe) 32
4.5可攜式風速遙測系統Lidar 34
第伍章、風洞實驗結果與討論 .............................. 37
5-1 都市地形 .......................................... 37
5-1-1 都市地形風洞模擬實驗配置 ....................... 39
5-1-2 都市地區之粗糙長度(z0)、α值整理比對 ........... 57
5-2 鄉鎮地形 .......................................... 61
5-2-1 鄉鎮地形風洞模擬實驗配置 ....................... 64
5-2-2 光復國小發展段粗糙元素之設計 ................... 72
5-2-3 鄉村地區之粗糙長度(z0)、α值整理比對 ........... 79
5-3 開闊地形 .......................................... 83
5-3-1 開闊地形風洞模擬實驗配置 ....................... 86
5-3-2 新南國小發展段粗糙元素之設計 ................... 91
5-3-3 開闊地區之粗糙長度(z0)、α值整理比對 ........... 98
第陸章、結論與建議..................................... 101
6-1 結論 ............................................. 101
6-2 建議 ............................................. 102

表目錄
表3-1 地表粗糙長度與 關係圖 18
表3-2 同時間長度之C(T)值 24
表5-1 淡江大學城區部樓房統計資料(出自曾鈺婷學姐) 39
表5-2 都市地形模擬Α值與實場之比較 57
表5-3 宜蘭光復國小樓房統計資料 63
表5-4 鄉村地形設計粗糙元素參數 76
表5-5 鄉村地形模擬Α值與實場之比較 80
表5-6 鄉村地形設計粗糙元素之粗糙長度 81
表5-7 宜蘭新南國小樓房統計資料 85
表5-8 平坦地形設計粗糙元素參數 95
表5-9 開闊地形模擬Α值與實場之比較 99
表5-10 開闊地形設計粗糙元素之粗糙長度 100

圖目錄
圖3-1 邊界成形成示意圖 15
圖3-2 M隨ZO遞增之關係圖 20
圖4-1 淡江大學結構氣動力風洞實驗室平面圖 26
圖4-2 決定擾流板之高度與寬度之經驗曲線 28
圖4-4 COBRA全體圖 31
圖4-7 宜蘭光復國小十分鐘平均風速剖面圖 36
圖4-8 宜蘭新南國小十分鐘平均風速剖面圖 36
圖5-1 淡江大學城區部十分鐘平均風向歷時圖 37
圖5-2 淡江大學城區部數值地形圖(出自曾鈺婷) 38
圖5-3 配置一:風速剖面 41
圖5-4 配置一與原縮尺模型之比較 42
圖5-5 配置二:縮尺模型裝設擾流板(A-1) 43
圖5-6 配置二:風速剖面 44
圖5-7 配置二的風速剖面與實場比對 44
圖5-8 配置二:紊流強度 圖5-9 配置二:紊流尺度 45
圖5-10 配置二順風向頻譜(44M) 46
圖5-11 配置二順風向頻譜(68M) 46
圖5-12 配置二順風向頻譜(92M) 47
圖5-13 配置二順風向頻譜(148M) 47
圖5-14 配置二順風向頻譜(256M) 48
圖5-15 配置二順風向頻譜(368M) 48
圖5-16 配置二順風向頻譜(452M) 49
圖5-17 配置三:縮尺模型裝設擾流板(A-2) 50
圖5-18 擾流板(A-2) 50
圖5-19 配置三:風速頗面 51
圖5-20 配置三的風速頗面與實場比對 51
圖5-21 配置三:紊流強度 圖5-22 配置三:紊流尺度 52
圖5-23 配置三順風向頻譜(44M) 53
圖5-24 配置三順風向頻譜(96M) 53
圖5-25 配置三順風向頻譜(256M) 54
圖5-26 配置三順風向頻譜(368M) 54
圖5-27 配置三順風向頻譜(452M) 55
圖5-28 配置三順風向頻譜(536M) 55
圖5-29 配置三順風向頻譜(592M) 56
圖5-30 粗糙長度公式 59
圖5-31 宜蘭光復國小十分鐘平均風向歷時圖 61
圖5-32 宜蘭光復小數值地形圖 62
圖5-33 宜蘭光復國小1/400縮尺模型 63
圖5-34 配置一:風速剖面 64
圖5-35 宜蘭光復國小設計擾流板 65
圖5-36 擾流板裝置 66
圖5-37 光復國小(B-1擾流板):風速剖面 66
圖5-38 光復國小(B-2擾流板):風速剖面 67
圖5-39 光復國小(B-3擾流板):風速剖面 67
圖5-40 配置二與實場凡娜比颱風資料比對 68
圖5-41 光復國小紊流強度 圖5-42 光復國小紊流尺度 69
圖5-43 光復國小順風向頻譜(44M) 69
圖5-44 光復國小順風向頻譜(84M) 70
圖5-45 光復國小順風向頻譜(156M) 70
圖5-46 光復國小順風向頻譜(212M) 71
圖5-47 光復國小順風向頻譜(316M) 71
圖5-48-1 設計粗糙元素示意圖 73
圖5-48 鄉村地形設計粗糙元素模型-1 76
圖5-49 鄉村地形設計粗糙元素模型-2 77
圖5-50 設計粗糙元素(光復國小)與縮尺模型比較風速剖面 78
圖5-51 設計粗糙元素(光復國小)與縮尺模型比較紊流尺度 78
圖5-52 設計粗糙元素(光復國小)與縮尺模型比較紊流強度 79
圖5-53 宜蘭新南國小十分鐘平均風向歷時圖 83
圖5-54 宜蘭光復國小地形圖 84
圖5-55 宜蘭新南國小1/400縮尺模型 85
圖5-56 宜蘭新南國小:風速剖面 86
圖5-57 新南國小縮尺實驗與實場之比較 87
圖5-58 新南國小紊流尺度 圖5-59 新南國小紊流尺度 88
圖5-60 新南國小順風向頻譜(24M) 88
圖5-61 新南國小順風向頻譜(40M) 89
圖5-62 新南國小順風向頻譜(68M) 89
圖5-63 新南國小順風向頻譜(112M) 90
圖5-64 新南國小順風向頻譜(152M) 90
圖5-65 鄉村地形設計粗糙元素模型-1 95
圖5-66 鄉村地形設計粗糙元素模型-2 96
圖5-67 設計粗糙元素(新南國小)與縮尺模型比較風速剖面 97
圖5-68 設計粗糙元素(新南國小)與縮尺模型比較紊流強度 97
圖5-69 設計粗糙元素(新南國小)與縮尺模型比較紊流尺度 98

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