一、研究動機與目的
近年來由於國內經濟的快速成長和營建技術水準的大幅提高，加上台灣地區地狹人稠，高層建築紛紛拔地而起，建築師或結構技師對高層大樓須將風力影響納入考量，而側向力主要形成因素主要有二個，其一為強風作用建築物結構安全性與舒適性，其二地震力對於結構安全影響，由此可見風力效應在高樓結構設計扮演重要角色。
高層結構物與風力之交互作用相當複雜，當風流經建築物時，其所受風力行可分順風向、橫風向及扭轉向等三方面加以討論。順風向風力主要以阻力形式呈現較單純，而橫風向風力及扭轉向風力主要是因為建築物受風作用之側面分離剪力流及尾流區的流場結構行為，兩者流場結構會交互影響。此外，結構物振動會造成附近的風場變化，進而影響結構物上的表面風壓，因此又使結構物的振幅產生變化，此種耦合現象稱為結構物與風力互制之氣彈力效應。本研究數值部分利用軟體進行計算主要考量數值模擬方法有高效率、經濟性與可重複性的等優點，惟數值模擬分析結果須與風洞試驗結果相互驗證，方可證明數值模擬軟體所使用之參數適用該項研究課題，本研究偶合分析部分應用軟體ABAQUS建立相關數值模式，建築風洞試驗測試結果亦與文獻資料相互比對驗證。
二、建築物模型風洞試驗
本研究有關風洞實驗部分於本所台南歸仁風洞實驗室進行，該風洞為垂直向封閉式循環系統(如圖1所示)，需要時可轉為開放式系統，風洞本體總長度為77.9m，最大寬度為9.12m，最大高度為15.9m。風洞有兩個測試區，第一測試區截面積寬4米，高度為2.6米，測試區內設置有3個迴轉盤，可模擬不同風向角度來流，模型之氣動力試驗可完整考量風向角的影響，該測試區主要以建築物縮尺及其他鈍形體(如:腳踏車、風力發電機…等)氣動力量測為主，本研究風洞試驗於第一測試區進行。另一個測試區截面積寬度為6米，高度為2.6米，該測試區域最主要試驗為全尺寸橋樑模型或其他大跨度模型之氣動力量測，測試區內設置有一迴轉盤可進行模型風向角之調整。
本研究風洞試驗模型為矩形與L型斷面高層建築模型，來流條件為模擬大氣型態邊界層流場，量測模型受風力與加速度歷時資料，並將結果無因次化後分析比較。模型尺寸高度(H)為70 cm；高寬比( H/B )為7，寬度(B)與深度(D)皆為10cm。大氣邊界層性質則選用符合風力規範之地況B (α 值約為0.25，邊界層高度δ約為130公分，如圖2所示)，縮尺為1/250，實驗所使用到儀器包含風速計、六力平衡儀、加速規及NI資料擷取系統等。
三、數值模擬設定條件
本研究在數值模擬採用SIMULIA公司所開發的共同分析引擎(Co-Simulation Engine, CSE)進行計算流體動力學軟體ABAQUS/CFD model與結構分析ABAQUS /EXPLICIT model之流場-結構偶合分析。
數值模擬運算過程中，紊流模式的不同將影響模擬結果的準確性與實際計算所需的時間。目前現有計算流體力學數學模式中LES 紊流模式對於複雜流場之預測更為準確，但因為應用LES紊流模式所得為暫態解與三維空間的計算值域，需耗費較長時間計算方能求得穩定可運用之流場資料且如何設定來流歷時及四周牆邊界條件仍待突破；另一個計算數學模式RANS則有分析時間節省上的優勢，但主要的局限還是在於其無能力針對流場固有的暫態特性予以分析，如迎風面流場分離流場計算和下沉循環氣流及尾流區渦散作用無法較準確的計算模擬。
在ABAQUS中提供了4種數學模型可供挑選使用:(1)雷諾平均的Navier-Stokes（RANS）、(2)非穩態雷諾平均的Navier-Stokes（URANS）、(3)大渦模擬（LES）、(4)混合RANS/ LES（HRLES）等模式。本研究採用Spalart-Allmaras model與LES二模式進行流場模擬分析。
四、風洞實驗及數值模擬結果
- 基本風場參數量測及模型3D風場模擬結果
從風洞模擬B地況風場測得之平均風速剖面圖與紊流強度分布圖(如圖3及4所示)可知，α=0.27略大於理論值（α=0.25）曲線，紊流強度（T.I.%）在接近地表時達到最大值為18%。研究中數值模擬設定之邊界層流速為12 m/s，厚度為1.3m，紊流強度可由分布圖觀察出約8%，模型頂部風速可經由算後後為8.4 m/s，風洞實驗平均雷諾數 (模型高度處)，邊界層中最大渦流的長度尺度約為邊界層的厚度1.3m，渦流的流速尺度約等於紊流流速ul≒12×0.2=2.4 m/s，數值模擬中所需參數如紊流動能消散率、最小渦流尺度、速度尺度及時間尺度參數皆可計算出。
將上述條件利用ABAQUS進行模擬，其紊流計算模式為Spalart- Allmaras model與LES二模式，所得3D速度分布如圖5及圖6所示。由入口及出口兩張圖上可以發現其側邊流場渦散結構隨高度而改變，模型後方低壓尾流區域與頂部流場相互影響而成一複雜3D流場結構。
- 模型基底受力量測
就風力作用方向，可分為順風向、橫風向及扭轉向，本研究將以六力平衡儀所得之三大方向上之阻力、橫風向風力及扭力來進行無因制化後之平均與擾動係數之試驗結果與數值分析比對。表1為本次研究與兩篇實驗條件相近之文獻比對結果，由表上可看出實驗數據與文獻接近但略有差異，分析後主要是因為實驗之雷諾數與紊流強度差異造成模型受風力之不同。
- 矩型及L型模型受風力及彎矩結果比較
表2為平均順風向、橫風向及扭轉向於兩種不同模型受風力結果，L形除扭矩向平均彎矩係數較矩形大者外，相較之下，矩形模形於風力作用下之風力係數值略高於L形模型。由於擾動風力係數主要來自於橫風向渦流分離後對側面模型所施加之再接觸力有關，而L形因缺角減少再接觸現象，故其擾動風力係數接略低於完整矩形。
五、研究結論
- 建築矩型模型於風攻角0度下之橫風與順風向平均風力係數、擾動風力係數、扭轉向平均基底彎矩係數與擾動基底彎矩係數等試驗結果，經與文獻數據驗證比對尚屬合理。
- 在深寬比1、高寬比7之矩形與L形建築模型，由實驗結果可知其橫風向與順風向間擾動風力係數之相關性不強，惟可用ㄧ圓形包絡線順風向風力擾動係數2+順風向風力擾動係數2=1涵蓋，用以估算其對應極大值。另橫風向與順風向間擾動基底彎矩係數之相關性亦不強，惟同樣可用ㄧ圓形包絡線涵蓋，進行極最大值估算，惟仍須加以評估其或然率分析結果是否可接受。
- L形模形於不同風攻角作用下，除扭矩向平均彎矩係數較矩形大者外，相較之下，矩形模型於風力作用下之風力係數值略高於L形模型。由於擾動風力係數主要來自於渦流分離後對橫風向側面模型所施加之再接觸力有關，而L形因缺角減少再接觸現象，故其擾動風力係數接略低於完整矩形。
- 由橫風向風力頻譜分析所得史特赫數St約為0.1與一般方形斷面柱受渦散作用下之數值相當，而L形模型之St亦接近0.1。
圖1 本所風洞本體俯視及側視外觀設計圖
圖2 B地況下風洞試驗架設圖
圖3 B地況之無因次化風速剖面圖
圖4 B地況之紊流強度分布圖
圖5 數值模擬之流場速度等勢圖(由模型前方往下游觀察)
圖6 數值模擬之流場速度等勢圖(由模型後方往上游觀察)
表1 矩形截面模型受風力結果比較
| 項目 |
阻力係數 |
橫風向風力係數 |
扭矩係數 |
擾動阻力係數 |
擾動橫風向風力係數 |
順風向擾動彎矩係數 |
橫風向擾動彎矩係數 |
擾動扭矩係數 |
| 風攻角(度) |
0 |
15 |
15 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| Tanaka et al.(2012) |
1.3 |
0.30 |
0.11 |
0.29 |
0.26 |
0.12 |
0.14 |
0.05 |
| 蔡明樹及鄭啟明(2010) |
- |
- |
- |
- |
0.30 |
- |
- |
0.03 |
| 本研究 |
1.0 |
0.38 |
0.10 |
0.29 |
0.36 |
0.19 |
0.15 |
0.03 |
表2 兩種截面模型在順風向、橫風向及扭轉向受風力結果
| 平均風力彎矩係數 |
阻力係數 |
橫風向風力係數 |
橫風向彎矩係數 |
順風向彎矩係數 |
扭矩係數 |
| 矩形 |
0.970339 |
0.954133 |
0.549715 |
0.581669 |
0.061141 |
| L形 |
0.910129 |
0.872426 |
0.52424 |
0.5264253 |
0.092708 |