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研究生： 林明泓
Ming-Hung Lin
論文名稱： 均勻流中圓柱體形建築物表面風壓之風洞實驗
The wind tunnel investigates the pressure distribution on the surface of three-dimensional circular cylinder in a uniform flow
指導教授： 朱佳仁
Chia-Ren Chu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 114
中文關鍵詞： 表面粗糙度 、擾動風壓 、均勻流 、圓柱體
外文關鍵詞： surface roughness, pressure fluctuation, circular cylinder, uniform flow
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    • 本研究以風洞實驗的方式探討均勻流中三維圓柱體的表面風壓分佈。實驗條件採用光滑圓柱體與兩種不同粗糙度的圓柱體，實驗中使用電子式壓力掃描器，同時量測多個位置的瞬時風壓。由實驗數據可以推求得知圓柱體表面的平均壓力、擾動壓力與分離點位置。實驗結果得知：在均勻流場中，平滑圓柱體所受之阻力係數為0.63，小於邊界層流中的阻力係數；平滑圓柱體之擾動壓力不會隨高度上升而有所改變；隨著粗糙程度的增加，圓柱體的分離點會向迎風面方向移動，而分離點移動範圍則會減小。均勻流場的分離點發生的位置較邊界層流的位置靠近背風面，而移動的範圍亦較小。本研究的結果可幫助瞭解在均勻流場中三維圓柱體於不同粗糙程度之表面壓力分佈，與分離點的移動情況。

    This study experimentally investigates the pressure distribution on the surface of three-dimensional circular cylinder in a uniform flow. The experiments were carried out in a wind tunnel. The flow conditions include three different kinds of surface roughness. Instantaneous fluctuating wind pressures were measured by an electronic pressure scanner. Based on the pressure measurement, the distributions of mean pressure coefficient Cp, rms Cprms, and peak pressure Cpp were calculated. Also, the separation point and the location of minimum negative pressure will move toward upstream direction as surface roughness increase. Compared to the results of Lee (2002), the moving range of separation point will decrease as surface roughness increase. The experimental results also revealed that the probability of pressure fluctuations for positive pressure is close to the Gaussian distribution function. On the other hand, negative pressure side was skewed and did not necessary follow Gaussian distribution.

    目 錄 頁次 中文摘要………………………………………………………… i 英文摘要.….…………………………………………………….. ii 目錄………………………………………………………………. iii 圖目錄……………………………………………………………. vi 表目錄……………………………………………………………. x 符號表…….……………………………………………………… xi 第一章 緒 論…………………………………………... 1 1.1 前言………………………………………………………... 1 1.2 研究動機…………………………….…………………….. 2 1.3 研究內容及大綱…………………………………………... 2 第二章 理論基礎與文獻回顧……………………………. 5 2.1 均勻流場特性……………………………………………... 5 2.2 風流經圓柱體之行為……………………………………... 5 2.3 表面風壓……...…………………………………………… 6 2.4 前人文獻回顧….. ………………………………………… 10 第三章 實驗設備與方法…………………………………. 17 3.1 大型環境風洞……………………………………………... 17 3.2 風速量測…………………………………………………... 18 3.3 壓力量測方法……………………………………………... 20 3.3.1 前人研究…………………………………………… 20 3.3.2 壓力量測儀器……………..……………………….. 22 3.3.3 儀器校正…………………………………………… 24 3.3.4 壓力量測…………………………………………… 25 3.4 實驗方法 ………………………………….……………… 27 3.4.1 均勻流場模擬……………………………………… 27 3.4.2 圓柱體模型………………………………………… 27 3.4.3實驗數據採樣技巧……………………………….… 29 3.4.4實驗數據採樣與處理………………………………. 29 3.5 頻譜分析方法…………………………….……………… 30 第四章 實驗結果與討論…………………………………. 46 4.1 迫近流場………….……………………………………… 46 4.1.1 平均風速剖面……………………………………… 46 4.1.2 紊流強度剖面……………………………………… 46 4.1.3 紊流頻譜…………………………………………… 47 4.2 光滑圓柱體表面風壓……………………………………... 47 4.2.1 平均風壓…………………………………………… 47 4.2.2 擾動風壓…………………………………………… 48 4.2.3 極值風壓……………….…………………………... 49 4.2.4 風壓頻譜……………….…………………………... 52 4.3 粗糙圓柱體表面風壓…………………………………….. 53 4.3.1 平均風壓…………………………………………… 53 4.3.2 擾動風壓…………………………………………… 56 4.4 圓柱體分離點的探討……………………………………... 57 4.4.1 分離點的界定……………………………………… 57 4.4.2 分離點位置及移動範圍…………………………… 59 4.5 擾動風壓的機率分佈……………………………………... 60 第五章 結論與建議……………………………………… 107 5.1 結論………………………………………………………... 107 5.2 建議………………………………………………………... 109 參考文獻…………………………………………………………. 110 圖目錄 頁次 圖1.1 圓柱體形建築物…………………………………………………. 4 圖2.1 均勻流與非均勻流之示意圖…………………………………… 15 圖2.2 圓球與圓柱體之阻力係數隨雷諾數變化圖……………………. 15 圖2.3 流體流經圓球之分離點示意圖…………………………………. 16 圖2.4 流體流經圓球側面之示意圖……………………………………. 16 圖3.1 風洞立體構造圖…………………………………………………. 32 圖3.2 風洞之上視圖與側視圖…………………………………………. 32 圖3.3 風洞馬達轉速與風速之關係圖…………………………………. 33 圖3.4 電子式壓力掃描器 ZOC33模組…………………………….… 34 圖3.5 數位處理模組DSM3000………………………………………… 34 圖3.6 控制壓力模組 DSM CPM………………………………………. 35 圖3.7 壓力校正儀SPC3000…………………………………………….. 35 圖3.8 壓力校正模式儀器設置圖………………………………………. 36 圖3.9 壓力量測模式儀器設置圖………………………………………. 36 圖3.10 電子式壓力掃描器管線轉換函數………………………………. 37 圖3.11 以20cm管線、120cm管線量測之壓力與轉換後壓力比較圖….. 37 圖3.12 壓克力平板之側視圖與俯視圖…………………………………. 38 圖3.13 風洞中壓克力平板與圓柱體模型配置側視圖…………………. 39 圖3.14 壓克力平板與圓柱體模型之立體示意圖………………………. 39 圖3.15 壓克力平板與圓柱體模型配置之俯視圖………………………. 40 圖3.16 圓柱體模型立體示意圖…………………………………………. 41 圖3.17 圓柱體模型貼壓克力飾條………………………………………. 42 圖3.18 不同取樣時間之平均壓力誤差圖………………………………. 43 圖3.19 不同取樣頻率之平均壓力誤差圖………………………………. 43 圖3.20 不同取樣時間之擾動壓力誤差圖………………………………. 44 圖3.21 不同取樣頻率之擾動壓力誤差圖………………………………. 44 圖3.22 不同取樣時間之極值壓力誤差圖………………………………. 45 圖4.1 迫近流場之平均風速剖面………………………………………. 63 圖4.2 迫近流場縱向紊流強度剖面圖…………………………………. 63 圖4.3 縱向流速紊流頻譜（z = 0.8m）………………………………… 64 圖4.4 光滑圓柱體平均壓力係數(Cp)分佈圖………………………….. 65 圖4.5 光滑圓柱體不同高度之平均壓力係數(Cp)分佈圖…………….. 66 圖4.6 光滑圓柱體在邊界層流與均勻流迎風面中心垂線Cp...………. 67 圖4.7 光滑圓柱體在邊界層流與均勻流背風面中心垂線Cp…………. 67 圖4.8 光滑圓柱在高度z/H = 0.6處邊界層流與均勻流Cp比較圖…… 68 圖4.9 光滑圓柱體擾動壓力係數(Cprms)分佈圖………………………... 68 圖4.10 光滑圓柱體不同高度之擾動壓力係數(Cprms)分佈圖…………... 69 圖4.11 光滑圓柱體迎風面中心垂線平均與擾動壓力係數……………. 70 圖4.12 光滑圓柱體背風面中心垂線平均與擾動壓力係數……………. 70 圖4.13 光滑圓柱體在邊界層流與均勻流迎風面中心垂線Cprms………. 71 圖4.14 光滑圓柱體在邊界層流與均勻流背風面中心垂線Cprms………. 71 圖4.15 光滑圓柱體在高度z/H = 0.6處邊界層流與均勻流Cprms比較圖 72 圖4.16 光滑圓柱體極值壓力係數 Cpp分佈圖………………………….. 73 圖4.17 光滑圓柱體10% 壓力係數 Cp10分佈圖………………………... 73 圖4.18 光滑圓柱體迎風面中心垂線Cp10與Cpp……………….……….. 74 圖4.19 光滑圓柱體背風面中心垂線Cp10與Cpp……………….……….. 74 圖4.20 光滑圓柱體不同高度之Cp、Cp10與Cpp……………….……….. 75 圖4.21 光滑圓柱體正壓區平均壓力係數與尖峰因子關係圖…………. 76 圖4.22 光滑圓柱體正壓區平均壓力係數與陣風反應因子關係圖……. 76 圖4.23 光滑圓柱體負壓區平均壓力係數與尖峰因子關係圖…………. 77 圖4.24 光滑圓柱體負壓區平均壓力係數與陣風反應因子關係圖……. 77 圖4.25 光滑圓柱體0°各高度之風壓頻譜………………………………. 78 圖4.26 光滑圓柱體在分離點各高度之風壓頻譜……………..………... 78 圖4.27 光滑圓柱體180°各高度之風壓頻譜……………………………. 79 圖4.28 光滑圓柱體z/H= 0.8各角度之風壓頻譜………………………. 79 圖4.29 粗糙圓柱體平均壓力係數(Cp)分佈圖(k/D = 0.00048)……….. 80 圖4.30 粗糙圓柱體平均壓力係數(Cp)分佈圖(k/D = 0.0024)………… 80 圖4.31 光滑與粗糙圓柱體在不同高度之Cp比較圖……………………. 81 圖4.32 粗糙圓柱在邊界層流與均勻流之Cp比較圖（k/D = 0.00048）…. 82 圖4.33 光滑與粗糙圓柱體迎風面中心線平均壓力係數分佈圖………. 83 圖4.34 光滑與粗糙圓柱體背風面中心線平均壓力係數分佈圖………. 83 圖4.35 光滑與粗糙圓柱體不同高度之Cprms比較圖……………………. 84 圖4.36 粗糙圓柱在邊界層流與均勻流之Cprms比較圖（k/D = 0.00048）.. 85 圖4.37 光滑與粗糙圓柱體迎風面中心線擾動壓力係數分佈圖………. 86 圖4.38 光滑與粗糙圓柱體背風面中心線擾動壓力係數分佈圖………. 86 圖4.39 光滑與粗糙圓柱體迎風面中心線Cpp與Cp10分佈圖….………. 87 圖4.40 光滑與粗糙圓柱體背風面中心線Cpp與Cp10分佈圖….………. 87 圖4.41 粗糙圓柱體正壓區Cp與g關係圖(k/D = 0.00048)……………… 88 圖4.42 粗糙圓柱體正壓區Cp與G關係圖(k/D = 0.00048)……………... 88 圖4.43 粗糙圓柱體負壓區Cp與g關係圖(k/D = 0.00048)……………… 89 圖4.44 粗糙圓柱體負壓區Cp與G關係圖(k/D = 0.00048)…………… 89 圖4.45 粗糙圓柱體正壓區Cp與g關係圖(k/D = 0.0024)…..…………… 90 圖4.46 粗糙圓柱體正壓區Cp與G關係圖(k/D = 0.0024)..…………… 90 圖4.47 粗糙圓柱體負壓區Cp與g關係圖(k/D = 0.0024)..……………… 91 圖4.48 粗糙圓柱體負壓區Cp與G關係圖(k/D = 0.0024)….…………… 91 圖4.49 圓柱平均壓力分佈與壓力分佈曲線(z = 0.8 H)………………… 92 圖4.50 不同高度的平均分離點位置……………………………………. 93 圖4.51 光滑圓柱體平均分離點位置與分離點移動範圍………………. 93 圖4.52 粗糙圓柱平均分離點位置與分離點範圍(k/D = 0.00048)……… 94 圖4.53 粗糙圓柱平均分離點位置與分離點範圍(k/D = 0.0024)……….. 94 圖4.54 光滑圓柱體平均風壓係數與偏度係數分佈圖…………………. 95 圖4.55 光滑圓柱體平均風壓係數與峰度係數分佈圖…………………. 95 圖4.56 光滑圓柱體平均風壓係數與擾動壓力係數分佈圖……………. 96 圖4.57 光滑圓柱體擾動風壓係數與偏度係數分佈圖…………………. 96 圖4.58(a) 光滑圓柱體風壓之機率密度分佈圖(z/H = 0.8，θ = 0˚)……….. 97 圖4.58(b) 光滑圓柱體風壓之累積機率密度圖(z/H = 0.8，θ = 0˚)………… 97 圖4.59(a) 光滑圓柱體風壓之機率密度分佈圖(z/H = 0.8，θ = 30˚)……….. 98 圖4.59(b) 光滑圓柱體風壓之累積機率密度圖(z/H = 0.8，θ = 30˚)…..… 98 圖4.60(a) 光滑圓柱體風壓之機率密度分佈圖(z/H = 0.8，θ = 60˚)……….. 99 圖4.60(b) 光滑圓柱體風壓之累積機率密度圖(z/H = 0.8，θ = 60˚)…..… 99 圖4.61(a) 光滑圓柱體風壓之機率密度分佈圖(z/H = 0.8，θ = 90˚)……….. 100 圖4.61(b) 光滑圓柱體風壓之累積機率密度圖(z/H = 0.8，θ = 90˚)…..… 100 圖4.62(a) 光滑圓柱體風壓之機率密度分佈圖(z/H = 0.8，θ = 120˚)…….. 101 圖4.62(b) 光滑圓柱體風壓之累積機率密度圖(z/H = 0.8，θ = 120˚)…..… 101 圖4.63(a) 光滑圓柱體風壓之機率密度分佈圖(z/H = 0.8，θ = 180˚)…….. 102 圖4.63(b) 光滑圓柱體風壓之累積機率密度圖(z/H = 0.8，θ = 180˚)…..… 102 圖4.64(a) 光滑圓柱體分離點位置機率分佈圖( z/H = 0.2 )……………….. 103 圖4.64(b) 光滑圓柱體分離點位置之累積機率圖( z/H = 0.2 )…………….. 103 圖4.65(a) 光滑圓柱體分離點位置機率分佈圖( z/H = 0.4 )……………….. 104 圖4.65(b) 光滑圓柱體分離點位置之累積機率圖( z/H = 0.4 )…………….. 104 圖4.66(a) 光滑圓柱體分離點位置機率分佈圖( z/H = 0.6 )……………….. 105 圖4.66(b) 光滑圓柱體分離點位置之累積機率圖( z/H = 0.6 )…………….. 105 圖4.67(a) 光滑圓柱體分離點位置機率分佈圖( z/H = 0.8 )……………….. 106 圖4.67(b) 光滑圓柱體分離點位置之累積機率圖( z/H = 0.8 )…………….. 106 表目錄 頁次 表2.1 內部風壓係數………….…………………………………………. 8 表2.2 地況分類與地表拖曳係數、地表摩擦因子關係表……………… 9 表2.3 圓柱型建築之風力係數…………………………………………. 9 表2.4 外牆之平均外風壓係數…………………………………………. 10 表2.5 圓柱體實驗之前人研究…………………………………………. 14 表4.1 正壓區與負壓區面之尖峰因子比較表…………………………. 51 表4.2 圓柱阻力係數Cd與前人研究結果比較表…………………….… 55 表4.3 不同粗糙度尖峰因子與陣風反應因子比較表………………….. 57 表4.4 最大壓力係數相對誤差表………………………………………. 59 表4.5 平滑圓柱體各位置風壓分佈之K-S檢定結果………………….. 62 符號表 Cp ： 平均壓力係數 Cprms ： 擾動壓力係數 Cpp ： 極值壓力係數 Cp10 ： 最大10 % 壓力係數 f ： 頻率 g ： 尖峰因子 G ： 陣風反應因子 Iu (%) ： 縱向紊流強度 k/D ： 相對粗糙度 N ： 採樣總數 P ： 建築物表面風壓 ： 平均風壓 P0 ： 參考高度之大氣壓力 P10 ： 最大10 % 壓力 R ： 電阻 Re ： 雷諾數 Su ： 頻譜密度函數 St ： 史徹荷數 θ ： 圓柱體測孔方位角 ν ： 空氣之運動黏滯係數 σu ： 均方根速度

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