簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 陳柏勳
CHEN, BO-SHIUN
論文名稱: 高樓建築與橋梁斷面氣動力行為之數值模擬與風洞實驗研究
Simulation and Wind Tunnel Experiment on the Aerodynamic Behavior of High-Rise Buildings and Bridge Sections.
指導教授: 朱世禹
Chu, Shiu-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: 2025
畢業學年度: 113
語文別: 中文
論文頁數: 165
中文關鍵詞: CFD 模擬風洞實驗高樓模型橋斷面模型氣動力現象
外文關鍵詞: CFD simulation, wind tunnel experiment, high-rise building model, bridge section model, aerodynamic phenomena
相關次數: 點閱:4下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 隨著都市建築逐漸朝高層與大跨徑結構發展,風對於建築物之影響日益顯著,特別是在高風區或特殊幾何形狀條件下,風致振動可能引發結構共振,進而影響其安全性與舒適性。本研究旨在探討高層建築與橋梁斷面之氣動力行為,並運用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)模擬技術與風洞實驗進行對照分析,以驗證數值模擬之準確性與可行性。研究首先針對矩形斷面進行二維層流與紊流模擬,並探討不同計算域、加密區域與邊界條件設定對模擬結果之影響。接續進行三維矩形剛性矩形斷面模擬,並與風洞實驗結果進行比對,探討其流場變化與風力係數趨勢之吻合度。最後則是運用二維去模擬各種不同橋斷面的氣動力行為。
    結果顯示,CFD模擬可有效捕捉旋渦結構、尾跡發展與風力震盪行為,並能合理預測升力與阻力係數的主趨勢。雖在二維橋樑斷面數值模擬與風洞結果在某些定量結果上存有誤差,特別是在升力係數之預測方面,但整體趨勢一致,驗證了數值方法在早期設計階段之應用潛力。綜合分析可知,透過適當之計算域設計與邊界條件控制,CFD 模擬有助於補足風洞試驗所受之縮尺限制,為未來風敏感結構之氣動力設計與安全評估提供可靠輔助工具。

    This study investigates the aerodynamic behavior of high-rise buildings and bridge deck sections by combining Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations with wind tunnel experiments. With the increasing prevalence of wind-sensitive structures in modern urban environments, accurately capturing wind-induced forces has become a critical aspect of ensuring structural safety and serviceability. Traditional wind tunnel testing remains a fundamental tool in wind engineering but faces limitations such as high cost, scale effects, and limited flexibility for parametric studies. In contrast, CFD offers a powerful numerical approach that allows full-scale simulations, visualization of complex flow phenomena, and sensitivity analyses under various geometric and environmental conditions.
    The research is structured around a multi-stage investigation. Initially, two-dimensional simulations under both laminar and turbulent conditions are conducted on simplified rectangular sections to explore fundamental aerodynamic mechanisms and validate mesh and domain settings. These are followed by three-dimensional simulations of rigid models that mirror wind tunnel conditions, enabling direct comparison and verification. Finally, two-dimensional CFD studies are carried out on various bridge deck geometries to examine the impact of cross-sectional shape on vortex shedding and aerodynamic force coefficients.
    The results demonstrate that CFD is capable of effectively capturing essential flow characteristics, including vortex shedding, flow separation, and wake development. Although discrepancies remain in the quantitative prediction of certain force components, the overall agreement with wind tunnel data highlights the method's robustness. This study affirms the value of CFD as a complementary tool for early-stage aerodynamic design, particularly when physical testing is limited or infeasible, and lays a foundation for more advanced simulations involving aeroelasticity and fluid–structure interaction in future research.

    摘要 I Abstract II 致謝 VI 目錄 VII 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2流體氣動力現象 2 1.2.1分離 2 1.2.2再接觸 3 1.2.3尾跡 3 1.2.4渦散現象 3 1.2.5鎖定現象 4 1.3文獻回顧 5 1.4本文架構 7 第二章 理論介紹 9 2.1無因次參數 9 2.1.1雷諾數 9 2.1.2史托荷數 10 2.1.3風力係數 10 2.1.4庫朗數 11 2.2控制方程式 12 2.2.1牛頓流體應力張量 12 2.2.2雷諾傳輸定理 12 2.2.3質量守恆方程式 13 2.2.4那維爾-史托克方程式 13 2.3紊流模型 15 2.3.1雷諾平均納維-斯托克斯方程 15 2.2.3 k-ε模型 16 2.2.4 k-ω模型 17 2.2.5 SST-k-ω模型 17 2.2.1紊流強度 18 2.4 模擬設備及軟體介紹 20 2.4.1 ANSYS介紹 20 2.4.2模擬設備介紹 21 2.4.3暫態求解器(Transient Solver) 21 2.4.4穩態求解器(Steady-State Solver) 21 第三章 二維矩形模擬 26 3.1二維矩形斷面層流模擬 26 3.2二維矩形紊流模擬 26 3.2.1初始條件設置討論 27 3.2.2二維紊流計算域及網格設定 28 第四章 三維剛性模型矩形模擬 43 4.1矩形風洞實驗介紹 43 4.1.1風洞設備 43 4.1.2剛性模型實驗設置 43 4.1.3剛性模型實驗結果探討 43 4.1.4柔性模型實驗設置 44 4.1.5柔性模型結果討論 44 4.2二維以及三維矩形比較 46 4.3三維建立計算域以及加密區域 48 4.3.1加密前後比較 48 4.3.2後方計算域討論 49 4.3.3寬度以及高度計算域討論 50 4.3.4加密區域討論 51 4.4風速討論 53 第五章 二維橋面板模擬 88 5.1橋樑斷面風洞試驗 88 5.1.1風洞設備 88 5.1.2風力係數實驗設置 88 5.1.3風力係數實驗結果 88 5.2不同橋面板二維模擬 90 5.2.1長方形橋斷面 90 5.2.2門型橋斷面 90 5.2.3門型I型樑橋斷面 91 5.2.4原始設計橋斷面 92 第六章 結論與未來展望 119 6.1結論 119 6.2未來展望 121 參考文獻 122 附錄 125 口試委員審查意見表 145

    [1] Menter, F. R. (1994). “Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications.” AIAA Journal, 32(8), 1598–1605.
    [2] Chowdhury, M. I. U. (2017). “CFD analysis of 2D unsteady flow around a square cylinder.”
    [3] Bhattacharjee, B., & Dou, H.-S. (2021). “Numerical analysis for 2D flow over different ratio’s rectangular.”, Suranaree Journal of Science and Technology, 28(1),010031(1-9).
    [4] 陳敬函(2018)。「高樓建築柔性氣彈模型振動台試驗與風洞試驗之參數識別」,碩士論文,國立成功大學土木工程研究所。
    [5] 粘浩(2018)。「風引致結構共振:數值模擬與風動實驗」,碩士論文,國立成功大學土木工程研究所。
    [6] 蔡明樹、賴子晴(2024)。「高層建築受風反應之擾動特性風洞試驗研究」,發表於《第十七屆結構工程暨第七屆地震工程研討會》,臺中市,臺灣。
    [7] 方富民、陳振華(2012)。「以斷面模型試驗評估長跨度橋梁抗風性能之研究」,內政部建築研究所委託研究報告。
    [8] 方富民、陳振華(2013)。「各式橋梁斷面模型氣動力穩定資料庫分析研究」,內政部建築研究所委託研究報告。
    [9] 吳唐綺(2017)。「以CFD模擬二維斷面橋體氣動力特性研究」,碩士論文,淡江大學土木工程學系。
    [10] 陳政謙(2020)。「基於SST k-ω模型之二維橋樑斷面氣彈力模型特性模擬」,碩士論文,淡江大學土木工程學系。
    [11] 張承翰(2024)。「橋梁斷面氣動力行為數值模擬與驗證」,碩士論文,國立成功大學土木工程研究所。
    [12] Kutateladze, S. S. and Leontiev, A. I. (1990) Heat Transfer, Mass Transfer and Turbulent Boundary Layers, Hemisphere Publishing Corporation, New York, Washington, Philadelphia, London.
    [13] https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%8D%A1%E9%97%A8%E6%B6%A1%E8%A1%97 , 訪問時間:2025.05.23。
    [14] D.Sumner (2013). “Flow above the free end of a surface-mounted finite-height circular cylinder: A review”, Journal of Fluids and Structures, Volume 43, pp. 41-63
    [15] Haym Benaroya, Rene D Gabbai (2008) “Modelling vortex-induced fluid–structure interaction”, Theme Issue ‘Experimental nonlinear dynamics II. Fluids’,158 Volume 366, issue 1868.
    [16] 朱佳仁(2006)。「風工程概論」,台北,科技圖書股份有限公司。
    [17] 方中(2021)。「基礎流體力學」,台中,滄海書局。
    [18] 虎門科技,ANSYS訓練課程,上課教材及操作手冊(2024)。
    [19] ANSYS Inc. (2024). “Ansys Fluent theory guide (Release 2024 R2)”. ANSYS Inc. https://www.ansys.com
    [20] B. E. Launder and D. B. Spalding. (1974) "The Numerical Computation of Turbulent Flows". Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 3. 269-289.
    [21] D. C.Wilcox(1998). Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, California.
    [22] 成功大學航太科技研究中心風洞實驗室(2023)。「橋梁斷面風洞試驗報告:興中路底跨基隆河連接內湖復育園區新設自行車橋興建工程之橋梁風洞試驗」。委託單位:恆康工程顧問股份有限公司。
    [23] Liao, Q. Y., Kang, C. J., Wu, C. C., Chu, S. Y., Fang, C., Chung, C. Y., & Chou, C. C. (2025). A comparative assessment of modal parameters and flutter derivatives using multiple output-only system identification methods. Wind and Structures, 40(4), 221–235.
    [24] https://blog.csdn.net/a5567899/article/details/137195296 , 訪問時間:2025.06.23。
    [25]Loviconi Ilyas. (2024). Computational fluid dynamics and large eddy simulations: Engineer internship report. Vibration Monitoring and Control Laboratory, National Cheng Kung University.
    [26]Pope, S. B. (2000). Turbulent flows. Cambridge University Press.
    [27]Wilcox, D. C. (2006). Turbulence modeling for CFD (3rd ed.). DCW Industries.

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:立即公開
    QR CODE