[[alternative]]Complex terrain of the comparisons between wind velocity and wind pressure in monitoring and wind tunnel test

碩士[[abstract]]一般超高層建築物對於風力的影響往往大過於其他外力的影響，所以超高層建築須更加注重耐風設計。而國內目前對於超高層建築受風力之行為，建立於風洞實驗，仍需透過實場量測來做為最終驗證，本文主要研究在於風洞實驗與實場量測之比較。 目前國內實場量測缺乏建築物表面風壓實場量測資料，故本研究首次進行建築物表面風壓實場量測研究，待建立建築物表面風壓實場量測之模式。建築物表面風壓量測須在建築外牆架設量測儀器，若直接於表面進行開孔，則需另外佈線與鑽孔，本文將另研究將無線技術應用於風壓量測上。 本研究於淡水區淡江大學內進行研究，為了解建築物表面受風之影響，必須量測風向、風速、風壓，先從氣象局歷年風向風速資料繪製風花圖，初步了解淡水區流場特性。接著進行光達(LiDAR)風速剖面量測，建立淡江大學流場特性。同時於建築物安裝儀器，除了無線風壓量測儀器外，尚需安裝風速計同時量測風速及風向，進行季風及颱風數據收集。 風洞實驗分為二部分，分為流場試驗及風壓試驗，流場試驗除了縮尺地形發展段，也將轉換為粗糙元素發展段，再將二流場實驗結果與LiDAR量測做比較。再利用粗糙元素發展段進行不同風向角建築物表面風壓試驗，最後再將風洞實驗結果與實場量測結果做一比較，了解風洞實驗與實場量測之差異性，以用來改善風洞實驗模擬技術。 流場方面實場量測與風洞實驗比較是相當吻合，LiDAR所量測到風速剖面與風洞試驗比較，無論是縮尺地形發展段或是轉換成粗糙元素都是相當吻合。 風速頻譜在颱風部份與vonkarman風速頻譜是相當吻合。但風壓量測部份，可能是因為佈點位置於角隅處，使得模擬與量測比對上有一定困難度。[[abstract]]Generally, studies on surface wind pressure of a building are established based on wind tunnel tests. Although results from wind tunnel tests provide certain reliability for understanding the basic behavior of some phenomena, engineers still need full scale measurements for verification. In this study, field measurement of surface wind pressure of a building is carried out. Due to the lack of reference on field measurements of surface pressure, a preliminary scheme is designed and necessary instruments are collected. Further, in order to make comparison with other available evidence for the reliability of pressure measurement, LiDAR measurement and ultrasonic anemometers are also equipped on-site. The research work is begun with the investigation on target building’s meteorological information. By checking the wind rose charts of recent five years, all the instruments, including the anemometers, LiDAR, and wireless pressure sensor, are well set up in the target building. Then the simulation by wind tunnel is also carried out by picking up the most welcomed wind direction. Therefore, in this study, four kinds of data can be compared for various aerodynamic parameters and they are: 1. LiDAR: Vertical profile of mean wind speeds 2. Anemometer: Turbulent wind speed at roof top of the target building 3. Wireless sensor: Surface wind pressure on the rooftop of the building 4. Wind tunnel test: All three aforementioned information From the comparison results, it is pointed out that wind tunnel tests can generally provide good-fitted information with LiDAR and anemometers; however, comparison on surface pressure may need more modification on the field measurement technique. The preliminary scheme to carry out the surface wind pressure of a building is then modified according to the experience and suggested for the future research work.[[tableofcontents]]摘要 I 目錄 III 圖目錄 V 表目錄 VII 第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 1 1.3 研究方法與內容 3 1.3.1 實場監測 3 1.3.2 風洞試驗 3 1.4 本文架構 4 第2章 文獻回顧與理論背景 6 2.1 實場監測研究文獻回顧 6 2.2 大氣邊界層流場之特性 8 2.2.1 平均風速剖面 8 2.2.2 紊流強度 9 2.2.3 紊流長度尺度（Length scales of turbulence） 10 2.2.4 縱向擾動風速頻譜 11 2.3 散漫數據分析 13 第3章 實場量測與風洞試驗儀器 14 3.1 光達(LiDAR) 14 3.1.1 光達特性 14 3.1.2 光達量測原理 15 3.1.3 操作方法 16 3.1.4 光達資料數據分析 18 3.2 超音波風速計 19 3.2.1 超音波風速計特性 19 3.2.2 量測項目與數據分析 20 3.3 無線風壓量測器 21 3.3.1 儀器架構 21 3.3.2 風壓感傳計規格介紹 21 3.3.3 無線傳輸模組 22 3.3.4 電池組 23 3.3.5 整體模組 24 3.3.6 整體操作方式 25 3.3.7 率定方式 27 3.4 風洞 28 3.4.1 淡江大學一號邊界層風洞 28 3.4.2 風速量測儀器-熱膜探針 29 3.4.3 風壓量測-壓力掃描器 30 3.4.4 風洞實驗之模擬 31 3.4.5 風洞逼近流場模擬元件設計 34 第4章 實場量測結果與討論 36 4.1 監測地點選擇 36 4.2 風花圖分析比較 36 4.2.1 風花圖介紹 36 4.2.2 風花圖繪製 36 4.3 監測建築物選擇 40 4.3.1 工學大樓 40 4.3.2 商館大樓 41 4.4 光達(LIDAR)量測 43 4.4.1 光達(LiDAR)量測地點 43 4.4.2 量測及數據分析方法 43 4.4.3 量測結果 44 4.5 商館實場量測 46 4.5.1 商館頂樓儀器配置 46 4.5.2 實場量測結果 48 第5章 風洞試驗結果與討論 50 5.1 主建物模型與發展段模型製作 50 5.2 風洞流場試驗 51 5.2.1 縮尺地形發展段流場試驗 51 5.2.2 粗糙元素發展段流場試驗 52 5.3 風壓試驗 55 5.3.1 頂樓風速風洞試驗 55 5.3.2 風壓風洞試驗 56 第6章 實場量測與風洞實驗結果比較 58 6.1 流場比較 58 6.2 風壓係數比較 61 6.3 風速頻譜比較 66 第7章 結論與建議 69 7.1 結論 69 7.2 建議 71 圖目錄 圖1-1研究架構流程圖 5 圖2-1紊流長度尺度參數C、W和高度Z0關係圖 11 圖3-1不同類型的光達掃描策略 14 圖3-2VAD法之示意圖 15 圖3-3日本三菱LR-08FSⅢ型光達主機(左)及鏡頭 (右) 17 圖3-4增強光達之防水性能所添置之天窗(左) 17 圖3-5持續性壓縮空氣示意圖(右) 17 圖3-6放置千斤頂之車輛示意圖 17 圖3-7光達相關名詞定義 18 圖3-8風壓感傳計外觀圖 21 圖3-9無線訊號發射器圖左 22 圖3-10無線訊號接收器圖右 22 圖3-11三顆SANYO18650(3*2600mAh) 24 圖3-12無線風壓盒正面外觀(圖左)，實場安裝圖(圖右) 25 圖3-13無線風壓盒內部構造圖 25 圖3-14實際操作示意圖 26 圖3-15無線傳輸過程示意圖 26 圖3-16率定示意圖 27 圖3-17淡江大學一號邊界層風洞實驗室 28 圖3-18IFA-300智慧型風速儀、探針及校正儀 29 圖3-19壓力量測系統 30 圖3-20壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 31 圖3-2164頻道壓力感應器模組 31 圖3-22錐形擾流板基座寬度與流場關係圖 35 圖 4-1淡水地區2007~2011全年風花圖 38 圖 4-2淡水地區2007~2011冬季風花圖 39 圖4-3淡江大學平面圖 40 圖4-4工學大樓外觀圖 41 圖4-5工學大樓頂樓場勘照 41 圖4-6商館大樓外觀 42 圖4-7商館頂樓場勘照 42 圖4-8光達(LiDAR)量測位置示意圖 43 圖4-9商館頂樓儀器安裝示意圖 46 圖4-10迎風面模擬示意圖 47 圖4-11 A、B風速計、風壓計實場裝設圖 47 圖4-12歷時資料篩選 48 圖5-1不同位置之縮尺地形風速剖面量測結果 52 圖5-2B地況粗糙元素幾何尺寸及配置 53 圖5-3B地況錐形擾流版 53 圖5-4 (B地況) 邊界層模擬圖 54 圖5-5不同位置之粗糙元素風速剖面量測結果 54 圖5-6商館模型架設熱膜探針圖 56 圖5-7不同風向角示意圖 57 圖6-1風洞試驗與實場量測之風速剖面比較 59 圖6-2風洞試驗紊流強度與紊流長度 60 圖6-3實場量測風向與紊流關係 60 圖6-4季風1 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 62 圖6-5季風1 NO.3、NO.4 風壓係數比較圖 62 圖6-6季風2 NO.1、NO.2風壓係數比較圖 62 圖6-7季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 63 圖6-8季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 63 圖6-9季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 63 圖6-10季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 64 圖6-11季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 64 圖6-12季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 64 圖6-13季風2 NO.1、NO.2 風壓係數比較圖 65 圖6-14蘇力颱風 風速計Ａ風速頻譜 66 圖6-15季風1 風速計A風速頻譜 圖6-16季風1 風速計B風速頻譜 67 圖6-17季風2 風速計A風速頻譜 圖6-18季風2 風速計B風速頻譜 67 圖6-19季風3 風速計A風速頻譜 圖6-20季風3 風速計B風速頻譜 68 圖6-21季風4 風速計A風速頻譜 圖6-22季風4 風速計B風速頻譜 68 圖6-23季風5 風速計A風速頻譜 圖6-24季風5 風速計B風速頻譜 68 圖7-1 改善建流程圖 72 表目錄 表2-1不同地況之指數率參數 8 表3-1超音波風速計儀器基本特性 19 表3-2風壓感傳計規格表 22 表3-3無線發射器規格表 23 表3-4無線接收器規格表 23 表4-1光達(LiDAR)風速剖面α值 45 表4-2商館大樓實場量測分析結果 49 表5-1頂樓風速風洞試驗量測結果 56 表5-2不同風向角之風洞試驗結果 57 表6-1實場量測平均風壓係數 61 表6 2風洞實驗平均風壓係數 61[[note]]學號: 601380305, 學年度: 10