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建築研究簡訊第93期

  • 日期:105-10-03
業務報導郭建源
應用CFD軟體Windperfect模擬都市風場流通效應

       臺灣地小人稠且經濟高度發展,建築材料科技日新月異,致使都會地區建築物高度及密度有漸增的趨勢。特別是近年來臺灣行政區域整併後新增為6個直轄市,人口勢必更加集中於各都會地區,建築物將更往高層化巨型化發展。氣流因建築、建築群的存在而改變行進方向,進而造成下切、縮流、渠化、渦漩(vortex)、角隅流(corner flow)、尾流(wake);另有遮蔽、穿堂風(through flow)等效應,上述效應除了造成建築物或建築群興建後產生瞬間的強風而影響行人及低樓層建築使用者的安全性及舒適性問題外。密集的都市區域建築量體櫛比鱗次對其下游空間風場因遮蔽效應形成阻礙而使都市中心形成嚴重的弱風區域,進一步減少空氣對流而影響戶內外自然通風,造成都市熱島效應加劇而增高戶外溫度,影響人體舒適度,甚至使空氣污染物蓄積於都市內,同時降低室內通風交換率而弱化室內通風量影響居室健康。

       為免高層建築降低戶外風場的流通並造成惱人的行人強風而影響環境與生活品質,對於建築物含基地周圍在興建前自概念、規劃、設計階段即應先預估建築物四周及建築群間的風場、氣流狀況,並進一步提出較佳之設計方案來予以改善控制。一些先進國家包括台灣在內也紛紛立法來要求環境風場風洞試驗或CFD模擬進行環境影響評估。過去本所進行相關評估工作皆以風洞試驗為主要方法,但環境風場流通效應評估尺度較大,風洞本體尺寸無法滿足測試須求且對於評估結果較難整體呈現區域風場變化趨勢。因此,本所於105年度採購WindPerfect 計算流體力學模擬軟體(CFD)因應大尺度風場模擬需求。

       WindPerfect 是由日本E-Sim公司設計開發的3維熱流體解析軟體,以流體力學理論為基礎,解析建物、周邊建物及周邊環境之間的風場環境影響,廣泛適用於都市街廓尺度風環境分析的電腦輔助軟體。本所採購版本之主要功能包括:室內外風向、風速、風壓模擬計算且具有建模前處理、解析模擬計算及視覺化後處理等三階段功能。建模前處理功能可於軟體內直接繪製模型,並可導入3D模型檔案格式(*.stl、*.dxf直接匯入讀取),網格數係自動生成網格,並支援手動調整網格,具有五百萬網格數量計算能力。解析模擬計算之紊流解法包含0方程式、標準k-ε、LES、DNS等解析模式,內建台灣主要城市風向風速參數資料,並提供可自行輸入風速邊界條件。支援室內外風場同時解析,可生成室內格間及樓層高度進行室內外自然通風的流動。視覺化後處理功能包含結果視覺化圖檔及風場粒子動畫檔(包含向量、圖形輸出及數值監控,等值線、等值面等),如下圖2所示。

       本所檢測或研究過程運用WindPerfect計算流體力學模擬軟體進行建築模型最快速的讀檔建立三維建築模型,並以人性化介面及內建化模組、氣象參數資料庫、物性值參數資料庫等功能,進行有效率的模擬。該軟體亦可用於實務,對建築進行特定風向及時段的建築風環境分析,從設計的初期階段即開始使用模擬分析工具,針對不同方案的建築設計及規劃方案進行環境模擬,進而給予設計師修正及提升環境品質的建議評估。

圖1.?WindPerfect 風場向量表示
圖1. WindPerfect 風場向量表示

圖2.?WindPerfect 風場流線表示

圖2. WindPerfect 風場流線表示