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建築研究簡訊第104期 《專題報導》

改良型方向性歐文探針紊流場特性驗證

一、前言

       隨著經濟發展,國內建築物朝高層化、大型化及複合化趨勢發展,巨型化高層建築物除阻礙戶外區域環境風場流通性,亦造成行人強風的現象而影響都市環境的生活品質與生命威脅。過去數十年有許多高層建築物引致的行人強風造成意外傷亡案例。一些先進國家包括台灣在內也紛紛立法要求作風場的環境影響評估。針對此問題,國內外各界多在風洞實驗室內,透過縮尺模型,模擬主建築物附近地表地物實況,再於適當位置佈設歐文探針(Irwin Probe)量測風速進行評估。惟該探針僅具風速量測功能,對於強風來襲方向無法量測。

       為能改良目前歐文探針僅能量測風速的缺點,於前期(106年度)科發基金補助計畫中,研究團隊透過文獻與學理開發定向性歐文探針( Directional Irwin Probe, DIRP),並於本所風洞實驗室內以均勻流場進行性能驗證,試驗時每30度量測一次,將試驗結果以傅利葉級數計算風場角度。初步驗證結果顯示,已開發之定向性歐文探針( Directional Irwin Probe, DIRP),除能具備一般歐文探針(中央管)可量測地表風速之性能外,可同時量測表面管之風壓係數,並可作為主要來流風向的判定依據。

       為延續前期計畫成果,並驗證改良型歐文探針在紊流場下的量測性能,本期擬於小型風洞內,以穩定風場進行風速量測,減少不確定因素干擾;探討不同風速下之探針孔洞內壓力量測準確度,以明確界定改良型歐文探針適用之風速範圍;並模擬不同紊流強度,分析紊流流場與均勻流場之差異;另量測臨建築物附近不同流場特性,如迎風面的下切氣流、角隅處的角隅渦流與背風側的尾流等。

、試驗規劃

       於前期研究中發現,本所風洞實驗室環境風洞之尺寸對於微小之方向性歐文探針而言過於龐大,其風洞內壓力易受外界大氣干擾,雖其干擾僅為數帕斯卡(Pa),但此壓力擾動值對於本實驗之數據將產生10~20%之誤差。因此,本期實驗預計於另製一小型量測風洞進行,由於斷面較小(斷面尺寸為20公分見方,如圖1所示),環境較易於控制,期將環境因素之影響降至最低。本案完成之重點工作分述如下:

  1. 本研究將設定一風速上下限,並於此範圍內漸增風速進行實驗,探討不同風速下之地表風速計各孔位壓力分佈之狀況,以明確界定改良型歐文探針適用之風速範圍。
  2. 研究於風洞試驗段前方架設格柵系統(圖2),產生來流之紊流風場條件,量測於紊流流場中,改良型歐文探針判斷風向之表現,分析紊流流場與均勻流場之差異。
  3. 規劃臨建築物附近之流場特性量測,如位於迎風面的下切氣流、角隅處的角隅渦流與背風側的尾流等(圖3)。研究擬以改良型歐文探針進行試驗,以驗證該探針對於量測角度之能力。

三、試驗結果

       本研究自製開放式小型風洞,該風洞(圖1)整體長度約為5 m,收縮比為9:1,斷面尺寸為20 cm × 20 cm,測試段長度為50 cm,風機轉速由變頻系統控制,風速範圍為1 m/s至25 m/s,並可藉由更換擴張段與馬達調整更高之風速範圍。此風洞空流場之風場均勻且穩定,紊流強度低於0.5%。該風洞於測試段內設計直徑15 cm具角度刻度之旋轉盤,使其具備轉向能力以控制DIRP之風向角。試驗分別於均勻流況、紊流流況與非恆定流況下進行,考量實際應用較常見之風速範圍,試驗風速先訂於4 m/s至10 m/s,間隔2m/s,取樣頻率與時間分別為256Hz與32秒。現就各流況試驗結果說明如下。

  1. 均勻流況試驗結果

       試驗結果經整理後如圖4至圖7所示,由試驗結果之平均無因次壓力分佈可回歸出近似cosine曲線之結果,並隨風速提升造成係數變化。率定曲線形式為:

       CS與CA值基本上隨風速增加約略成線性趨勢,由此結果亦可知至少在試驗進行之風速範圍下,地表之孔位之壓力分佈皆接近cosine曲線分布,判斷角度之方式即可以此關係式計算而得,以10m/s為例,整體誤差皆落於5度內,由此結果可知本探針於均勻流場狀況下對於判斷風向已有不錯之精度。

  1. 紊流流況試驗結果

       紊流流況同樣於小型風洞進行,試驗依文獻建議(Roach),規劃兩組不同尺度之紊流流況。格柵安設計方式如圖8~9,所示,同樣於轉盤處安裝改良型歐文探針以了解其於紊流場中判斷風向角度之能力。同均勻流之率定方式,將試驗結果整理後如圖10至圖17所示,其試驗結果之平均無因次壓力分佈亦可回歸出近似cosine曲線之結果。

       由上述資料亦可發現紊流流況之關係亦呈cosine分布,雖於case 1之4m/s資料較為雜亂,但於平均各點資料後仍可率定出一條接近趨勢的cosine曲線。而在整理資料後發現,間隔30度之試驗資料率定結果與間隔10度之結果差異小於2%,因此於case 2之試驗採間格30度進行。

  1. 非恆定流況試驗結果

       為了解該探針於非恆定來流下之風向判斷能力,研究中設計一阻礙物於量測區上游以製造非恆定流況)。並於風速計上方設置一直徑約0.05 mm之細鐵絲,由於細鐵絲受來流影響將改變其擺動角度,希望可藉由此機構檢視風向之即時變化,試驗架設如圖18所示。試驗改變風向角由-30度至90度,以製造不同狀況之流況,而探針處之風向則以高速攝影方式擷取畫面,相機錄製速率為120fps(即為120Hz)。將錄製之影片檔轉為各時刻之影像檔輸出,並經影像分析判別出細鐵絲位置與方向後,經取適當之門檻值即可得知該瞬間相對於影像區域內之角度,再經座標轉換至探針座標上,即可計算出瞬時之風向角。

四、結語

  1. 在可接受之精度下,本研究提出之改良型歐文探針經均勻流況、紊流流況與非恆定流況之試驗與資料分析後,已具備同時量測風速與風向之能力。更準確之精度分析則須進行重複性試驗,取得大量數據加以評估。
  2. 基本上本探針之平均壓力分佈接近餘弦函數,雖在下游處孔位之壓力略有回升之現象,不過以其餘點位壓力分佈仍可由cosine函數回歸,並以傅立葉級數直接計算出最接近之風向角度,而此關係在瞬時壓力分佈亦成立。
  3. 在均勻流與紊流流況下對於平均風向角解析皆具有一定精度,兩者實驗比對結果顯示,平均風向角之判斷誤差皆落於5度內,對實驗應用以具不錯之精確度。而在本案設定之非恆定流場下,以影像處理方式獲得近似風向角度瞬時資料,並與風速計壓力計算資料比對,於風向相對穩定(即非恆定性較弱之情況)之風向角結果相近,但於遮蔽或迴流區等非恆定性較強區域之結果差異較大,後續若須進一步探討與解析,則需採流場可視化方式同步進行量測,可了解探針周圍之實際風場變化狀況,以獲得較精準之結果。
  4. 本案校驗試驗於均勻流況與紊流流況皆有不錯之判斷風向角度能力,但於非恆流況下,當流場非恆定性較強時(如處於低速回流區),則判斷角度有較大誤差,成因可能為研究規劃之拍攝鐵絲方法無法即時反應出流場狀況。建議後續可針對此問題進行較精確之試驗,如採流場可視化方式,求得此探針處較正確之速度分布向量,將可釐清角度判定問題成因,獲得更佳之量測結果。
圖1 本研究自製吸入式小型風洞
圖2 本研究自製吸入式小型風洞架設格柵系統示意圖
圖3 風速計處於建築物下游示意圖

 

 

圖4  4m/s之率定係數結果(均勻流) 圖5  6m/s之率定係數結果(均勻流)
圖6  8m/s之率定係數結果(均勻流) 圖7  10m/s之率定係數結果(均勻流)
圖8紊流格柵設計 (case 1) 圖9 紊流格柵設計(case 2)
圖10 4m/s之率定係數結果(紊流case1) 圖11 6m/s之率定係數結果(紊流case1)
圖12 8m/s之率定係數結果(紊流case1) 圖13 10m/s之率定係數結果(紊流case1)
圖14 4m/s之率定係數結果(紊流case2) 圖15 6m/s之率定係數結果(紊流case2)
圖16 8m/s之率定係數結果(紊流case2) 圖17 10m/s之率定係數結果(紊流case2)
圖18 非恆定流況之試驗架設