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研究生: 張承翰
Chang, Cheng-Han
論文名稱: 橋梁斷面氣動力行為數值模擬與驗證
Numerical Simulation and Verification of Aerodynamic Behavior of Bridge Sections
指導教授: 朱世禹
Chu, Shih-Yu
方中
Fang, Chung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2024
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 158
中文關鍵詞: 計算流體力學大渦流模擬壁適應局部渦粘模型
外文關鍵詞: CFD, LES, Ansys Fluent, WALE Model
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  • 流體流經固體時會產生一系列不穩定之氣動力行為,並對固體表面施加週期性之壓力變化,此壓力可以風力係數評估。然而肇因於紊流之不穩定性,目前對於結構物所受風壓之評估,於《建築物耐風設計規範及解說》僅針對簡單規則之幾何斷面給出建議,對於特殊幾何或有其他不穩定疑慮者,則建議進行風洞試驗。但由於風洞試驗造價昂貴且有尺寸效應之問題,若能以計算流體力學之數值模擬方式輔助,除可大幅降低成本,提高經濟效益,亦可免除尺寸效應之影響。
    本研究進行二維模擬,以高樓剛性模型之風洞試驗為模擬對象,使用大渦流模擬之WALE模型模擬空氣以每秒10公尺之速度流經該結構物時,作用於該結構物上之風力及其風力係數。從結果可以看到,數值模擬可具體模擬出氣流於結構物後方產生之尾跡及漩渦等,對於流場可視化之貢獻卓越,然對於風力及其係數之計算則有待精進。
    而本研究亦針對數值模擬流程提出建議,可先以較粗糙之網格測試合適之計算域尺寸,再縮小網格尺寸進行更精細之模擬,同時也測試了不同出口邊界條件對模擬結果產生之影響。另外,本研究亦針對模擬過程中所需設定之不同參數進行測試,發現網格尺寸是未來可優先努力之方向。

    When fluid flows over a solid, it generates unstable aerodynamic behaviors, leading to periodic pressure variations on the surface, which can be evaluated using wind force coefficients. However, due to turbulence, current assessments in the "Building Wind Resistance Design Code and Commentary" only address simple geometric sections. For special geometries, wind tunnel testing is recommended, though costly and subject to scale effects. CFD numerical simulations can reduce costs, enhance economic efficiency, and eliminate scale effects.
    This study uses two-dimensional simulations with the WALE model of LES to simulate airflow at 10 m/s over a high-rise rigid model, focusing on wind forces and coefficients. Results show that while numerical simulations effectively replicate wake and vortex formation, the calculation of wind forces and coefficients needs further refinement. The study recommends starting with a coarser mesh for testing computational domain size, followed by finer mesh simulations, and emphasizes the importance of mesh size in future improvements.

    摘要 I EXTEND ABSTRACT III 致謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XII 圖目錄 1 符號表 9 第一章 緒論 10 1.1 研究動機與目的 10 1.2 文獻回顧 11 1.3 本文內文 12 第二章 流體相關理論暨概念介紹 13 2.1 流體特性概述 13 2.1.1 流體黏滯性 13 2.1.2 層流與紊流流動 13 2.2 流體力學無量綱參數 13 2.2.1 雷諾數 14 2.2.2 史拖赫數 14 2.3 邊界層理論 15 2.4 流體氣動力行為 16 2.4.1 分離 16 2.4.2 再接觸 17 2.4.3 渦散現象 17 2.4.4 尾跡 18 2.5 風力係數 19 2.6 氣體壓力 20 2.6.1 靜壓、動壓與全壓 20 2.6.2 絕對壓力及錶壓力 20 2.7 流體力學控制方程式 21 2.7.1 雷諾傳輸定理 21 2.7.2 連續方程式 21 2.7.3 納維爾-史拖克方程式 22 2.7.4 能量方程式 22 2.7.5 狀態方程式 23 2.8 大渦流模擬 24 2.8.1 斯瑪格林斯基模型 26 2.8.2 壁適應局部渦粘模型 27 第三章 數值模擬軟體介紹 28 3.1 幾何建模 28 3.1.1 框架繪製 29 3.1.2 建立平面物件 30 3.1.3 建立布林(Boolean)運算 31 3.2 網格生成 34 3.2.1. 加密(Sizing) 36 3.2.2. 生長率(Growth Rate) 38 3.2.3. 膨脹層(Inflation layer) 38 3.2.4. 生成方法(Meshing Method) 39 3.2.5. 命名(Name Selections) 41 3.3 求解器設定 42 3.3.1 通則(General) 44 3.3.2 模型(Models) 45 3.3.3 材料(Materials) 45 3.3.4 邊界條件(Boundary Conditions) 47 3.3.5 求解方法(Solution Methods) 48 3.3.6 監控(Monitors) 49 3.3.7 求解控制(Solution Controls) 51 3.3.8 初始化(Solution Initialization) 52 3.3.9 計算行為(Calculation Activities) 53 3.3.10 開始計算(Run Calculation) 55 3.4 後處理 56 第四章 設備介紹暨大渦流模擬之網格探討 57 4.1 設備介紹 57 4.2 大渦流模擬網格探討 58 4.2.1 紊流能量級聯(Turbulent Energy Cascade) 58 4.2.2 積分長度尺度 60 4.2.3 案例測試 62 第五章 二維斷面受風行為數值模擬 68 5.1 模擬對象 68 5.1.1 高樓剛性模型 68 5.1.2 橋梁縮尺模型 70 5.2 初期測試 71 5.2.1 高樓剛性模型 71 5.2.2 橋梁縮尺模型 77 5.3 中期測試 81 5.3.1 模擬設定及結果比較 82 5.3.2 收斂標準探討 87 5.4 模擬設定探討 92 5.4.1 計算域尺寸測試 92 5.4.2 出口邊界條件測試 95 5.5 後期測式 98 5.5.1 模擬設定 98 5.5.2 結果分析與討論 102 5.6 參數測試與結果討論 107 5.6.1 網格尺寸 107 5.6.2 膨脹層 110 5.6.3 亞鬆弛因子 112 第六章 結論與建議 114 6.1 結論 114 6.2 建議 115 參考文獻 117 附錄 120 口試委員審查意見表 140

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