中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
風洞實驗對於大型結構物或高層建築物之抗風能力與動態反應評估相當重要，其可於建築物建造前先進行縮尺模型試驗，並由試驗結果預先了解建築物潛在之危機。而近年來由於人口往都市集中造成地狹人稠之狀況，於建築面積有限之狀況下，只有於法規內盡量將建築樓層增高以求居住最大效益，於建築技術提升之現代，建築物往高層發展是必然之趨勢。而除了高層建物外，另一方面，較小尺度之附屬構造、標示物或延伸至屋頂型太陽能板等，其尺寸相對較小，若欲探討其受風力之效應，則其縮尺比例必然較小於高層建築物之縮尺，因此，建構相應比例之大氣紊流邊界層流場則為風洞試驗規劃前之首要步驟。
建研所風洞實驗室建立之現有流場條件為A、B與C三種大氣邊界層流場地況，其縮尺為1/250，由於近年來試驗與檢測案尺寸之多樣性，縮尺比例有擴充之必要。本案將依據文獻建議之方式，計算出渦流產生器尺寸並製作，配合地表粗造元之排列方式，模擬各設定之縮尺比例風場，檢視比對平均流速、紊流強度、紊流長度尺度剖面與風速頻譜特性，以供後續應用使用。
二、研究方法及過程
研究將包含以下內容：
1.蒐集包含AIJ-RLB、ESDU風工程系列或其他有關大氣邊界層之來流文獻，探討並建立適用之風場模擬依據。
2.本研究將選定建研所風洞實驗室常用以及未來規劃之縮尺比例，參考前述之風場模擬依據，透過渦流產生器與地表粗糙元之不同組合，建立相應縮尺比例之大氣邊界層流場。
3.選定一建築物或結構物模型，進行風洞試驗量測，討論不同縮尺流場特性對其之影響。
三、重要發現
一、由試驗結果可知，文獻建議之渦流產生器經驗公式，於6倍高度後可得相近設計之風速剖面等資料，但仍需進行量測微調，並檢視風速剖面橫向均勻狀況，視量測結果調整渦流產生器之間距與距離。上半部剖面指數可依渦流產生器經驗公式計算，但近地處之風速剖面冪次與地表粗糙元素較相關，試驗應依量測結果調整其排列與改變尺寸，以產生符合設定之剖面，調整原則若需增加底部紊流強度與增加風速虧損，基本上以加密與加大尺寸進行，排列密度與尺寸可依文獻建議公式試算後再行量測調整。
二、紊流強度最大值基本上由地表粗糙元素尺寸與排列控制，但於垂直向之紊流強度分佈可藉由加大渦流產生器尺度略為提升。風速頻譜基本上各剖面除近地表面10 cm範圍左右後皆近似於von Karman spectrum分佈。
三、積分尺度剖面，試驗量測值約略介於渦流產生器尺寸之2至3倍左右，於實驗室中無法完全按照設定比例放大，以現有之實驗設備無法達成1/100與1/50縮尺之理論縮尺值，後續則不特別調整此參數，但仍將量測結果列於報告內供後續參考。因此，在使用各小縮尺流場時需考量積分尺度可能造成之影響，而文獻(Simiu & Yeo 2019與ASCE 49-12)內提及當積分尺度若明顯大於建築特徵長度時，其表面壓力分佈較受流場內小尺度渦流影響，可放寬此模擬條件，在實際應用上，若縮尺建築模型之特徵長度小於紊流長度尺度之1/3內時則可使用。
四、由不同縮尺地況配合不同縮尺建築物之風洞試驗結果發現，採用比例不正確之模型可能會放大誤差，尤以大縮尺流場配合小縮尺模型(如1/250流場與1/25模型)最為嚴重，由於其紊流強度分布差異較大，造成壓力擾動偏低進而產生較低之壓力極值，即於實際應用上，可能低估表面最大風壓，因此應盡量採用合乎縮尺比例之來流地況與模型進行試驗。但若無法採用合宜之流場或模型縮尺，則應盡量使平均風速剖面與紊流強度分布符合實際狀況設定，可得相對接近實際狀況之結果。
四、主要建議事項
根據研究發現，本研究針對風洞實驗室不同縮尺風場之研究，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。
立即可行之建議
主辦機關：中華民國風工程學會
協辦機關：財團法人台灣建築中心
由試驗結果可提供配合不同尺度之建築物或結構物之風場條件，若需取縮尺模型進行風洞試驗評估時，需謹慎考量風場縮尺問題，包含平均、紊流剖面，以及長度尺度可能造成之效應，建議可由研究成果或其相關文獻建立示範例，以供未來研究或風洞試驗檢測參考使用。
長期性建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：成功大學航太中心風洞實驗室
為保持實驗室風場品質水準，建議定期進行縮尺風場條件檢視，檢視各縮尺流場剖面資訊是否產生變化，或仍有可增進精度之方法進行量測，持續建立實驗室風場條件，除可提供風洞試驗研究優良品質風況外，在相關風洞試驗業務亦可提供多元化之試驗條件，持續保持競爭力。另亦可增加地表粗糙元素之尺寸，可提供更完善之地表粗糙度，將有益於未來剖面微調，使風速剖面製作更有彈性。