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建築研究簡訊第111期

  • 日期:110-04-25
主題報導郭建源
整合擴增實境AR及CFD以建構風洞實驗室流場可視化技術

       建築設計和都市規劃日益重視風環境議題,而風無固定形體千變萬化,如果能讓風看得見,讓複雜的空氣流動過程變得可視化,將利於瞭解風、控制風,並利用風。本所於去(109)年整合計算流體力學(CFD)及擴增實境(AR)開發風場可視化應用程式,除有風場流向定性功能,亦呈現不同位置及風向之風速、風壓或風力等隨時間變化的動態物理量,兼具科普化及專業化的風工程成果展現。

        本研究已開發流場可視化系統應用程式,包括風場資料庫建置、伺服端軟體、用戶端軟體。伺服端主設備主要工作包含匯入CFD模擬所建置之風場資料庫,利用筆記型電腦作為伺服端設備並建立WiFi熱點,透過無線網路傳輸移動設備所需之影像資料。簡而言之,使用者僅利用手機鏡頭對著模型,手機螢幕即可依據自身選取功能,展現流場不同的物理量。

       傳統風洞實驗中進行流場可視化,僅能定性局部觀察,主要分為2大型式(如圖1),首先為壁體表面軌跡法、指標法(絲線法)、化學反應軌跡法,在固體表面塗上油墨、絲線或化學物質,藉以反映出面上時間平均之流體軌跡。其次為注入軌跡法搭配雷射光頁,觀測特定切面上之流場變化。在壓力可視化上,目前雖有壓力感測紙或感測片可貼在模型表面以色層方式顯示壓力變化,但目前無法呈現負壓(吸力)為其主要缺憾。綜合來說,在風洞實驗室中進行流場觀測,除設備成本高外,且僅能觀測片面資訊。另需要有一定的技術門檻,方能有效觀測部分區域之流場或壓力特性。

       為改良前述缺點,並全面觀測風場流動即時動態,研究應用CFD與AR資料整合,建立可視化系統,其主要運作模式為:(1)建立流場資訊:以CFD建立所需之流場資訊資料庫,並透過風洞實驗對CFD模擬結果進行驗證;(2)伺服端主機:透過資料轉換軟體進行插分計算分配空間資訊,並傳輸移動設備所需之影像資料;(3)客戶端設備:也就是移動設備如手機、平板,在安裝客戶端APP軟體後,利用其相機鏡頭進行模型定位追蹤,在透過選單設定後,向伺服主機提供需求並接收對應之影像資訊。系統運作架構詳如圖2。

       可視化呈現採用定格檢視以及動態檢視2種方式,定格檢視主要以平均或特定瞬間流場來檢視流場,僅需要一組空間資料即可完成。動態檢視則是呈現瞬態模擬結果,需要逐時傳輸動態影像至移動設備。本研究規劃定格檢視之選單資料有:(1) 表面或切面等值圖;(2)流線;(3)質點軌跡。而在動態檢視則增加渦度等值面,用以檢視渦流隨時間運動之特性。本案採台灣具有指標意義的台北101為範例,以101大樓為中心,劃定AR模型之建構範圍。設定101縮尺模型為1公尺高,模型縮尺約為1/500。配合風洞試驗,按本所風洞實驗室第一測試段寬為4公尺,故設定模擬範圍為3公尺´3公尺,於實尺寸範圍為2.25 km2。程式呈現結果如圖3所示。

       本系統可應用性相當廣泛,於建築設計初期可供建築師瞭解基地附近風場行進速度與方向,於初步設計階段,即可排除不良環境風場。同時,可供結構設計人員預先瞭解風與建築物互制行為,在建築物表面風壓和結構風載重設計時預判其受風行為,觀察風壓分佈情況,若有疑義再執行風洞試驗,以節省時間與經費。甚至進行相關審議時,讓非風工程專業人員,得以借此可視化軟體,看到具體風場流動型態,以助理解風場動態,加速審議時程。本案研究開發之程式,可快速有效評估都市風環境微氣候與建築物耐風安全,對於風工程評估成果展現將有極大的助益。

圖1 傳統風洞實驗室流場可視化方法

2 本研究開發應用程式之系統運作示意

圖3結合CFD及AR流場可視化成果