風工程理論與應用

序 前國立台灣海洋大學 校長 黃榮鑑 教授

風是地表大氣邊界層空氣流動的現象，當風與人類在地表的建造物發生交互作用的結果，則產生所謂的風工程（或風力工程）問題。風工程是一個具有多面向、跨領域、與日常生活息息相關的工程應用學門。風工程涵蓋的範圍包括：大氣邊界層特性、紊流特性、鈍體空氣動力學、空氣彈力學、建築與結構物的耐風設計、橋梁耐風設計、建築物的室內/室外通風、建築物周邊與社區的風環境、煙流排放與大氣擴散、風能、車輛空氣動力、運動空氣動力等。研究則包括了數理模式、風洞試驗、計算流體力學的數值模擬（CFD）等方法的探討。早期的研究，物理模擬是探討風工程唯一有效率的研究方法，隨著電子計算機硬體及軟體的發展，1980年代學術界與工程界開始大量使用電子計算機，計算流體力學的數值方法開始被引入風工程領域，一直到了2000年之後，電腦軟、硬體的發展才足以負荷計算流體力學的數值模擬方法，在風工程應用的計算需求。

台灣在1980年代，隨著經濟的起飛與發展，大量的高樓大廈如春筍般被開始建造，考量台灣夏、秋兩季為颱風侵襲的季節，內政部乃有針對高樓大廈建築設計法修訂之考量；另外台北地區為解決拉圾棄置問題，開始有建造焚化爐之議。為探討風力對高建築物的影響，1984年，中央研究院物理所的流體力學及大氣物理研究團隊，參考美國科羅拉多州立大學風洞試驗室的大型環境風洞，建造了台灣第一座適用於風工程及汙染擴散研究的大氣環境風洞（該風洞後來贈與國立中央大學土木工程學系），開啟了我國從事有系統的風工程及汙染擴散實驗研究。1984 到2000年間，台灣有多所大學也陸續興建大氣邊界層風洞，以從事各個領域的風工程研究。為結合國內產官學界的力量，有系統的推動風工程的研究與發展，在多位教授的籌劃下，台灣於2004年成立中華民國風工程學會，並於2005年舉辦第一屆風工程研討會。經過二十餘年的發展，國內目前已有十餘所大學院校從事風工程的教學與研究工作。欣聞2013年在學會理事長方富民教授的號召與規劃下，將編列風工程教材列入學會的工作項目，由各校教授參與風工程教材的編撰工作，期以提供大學部風工程教學之教材。有感於多位教授致力於國內風工程教學及研究推動之熱誠，甚願為這本專書題序。

序 前國立台灣海洋大學 校長 黃榮鑑 教授

風是地表大氣邊界層空氣流動的現象，當風與人類在地表的建造物發生交互作用的結果，則產生所謂的風工程（或風力工程）問題。風工程是一個具有多面向、跨領域、與日常生活息息相關的工程應用學門。風工程涵蓋的範圍包括：大氣邊界層特性、紊流特性、鈍體空氣動力學、空氣彈力學、建築與結構物的耐風設計、橋梁耐風設計、建築物的室內/室外通風、建築物周邊與社區的風環境、煙流排放與大氣擴散、風能、車輛空氣動力、運動空氣動力等。研究則包括了數理模式、風洞試驗、計算流體力學的數值模擬（CFD）等方法...

第一章 前言
1. 風工程起源 ／ 11
2. 我國風工程發展沿革 ／ 12
3. 章節內容 ／ 13
第二章 大氣邊界層 ／
1. 大氣紊流邊界層 ／ 21
2. 平均風速剖面 ／ 22
3. 紊流強度剖面 ／ 26
4. 雷諾應力 ／ 29
5. 紊流積分尺度 ／ 210
6. 風譜 ／ 213
參考文獻 ／ 218
第三章 鈍體空氣動力學
1. 前言 ／ 31
2. 氣動力特性參數－風壓係數與風力係數 ／ 32
3. 矩柱體的氣動力特性 ／ 36
4. 圓柱體的氣動力特性 ／ 312
5. 擾動風力與風壓計算 ／ 315
6. 小結 ／ 320
參考文獻 ／ 322
第四章 結構風致振動之頻率域解析
1. 風速、風力與結構振動反應之關係 ／ 41
2. 風引致結構振動反應 ／ 42
參考文獻 ／ 411
第五章 建築物之內壓特性 ／
1. 前言 ／ 51
2. 建築物的靜態內壓 ／ 52
3. 內壓的動態特性 ／ 56
參考文獻 ／ 59
第六章 低層建築風力特性與耐風設計 ／
1. 前言 ／ 61
2. 低層建築所受之風載重 ／ 61
3. 低層建築物實場觀測與氣動力實驗 ／ 63
4. 低層建築物模型氣動力實驗成果 ／ 610
5. 小結 ／ 617
參考文獻 ／ 619
第七章 高層建築風力特性與耐風設計
1. 前言 ／ 71
2. 高層建築結構系統之設計風力 ／ 72
3. 建築被覆物之設計風壓 ／ 710
4. 振動引起的舒適性問題 ／ 711
5. 風環境與行人舒適度 ／ 713
6. 風洞實驗在高層建築抗風設計上之應用 ／ 714
7. 結論 ／ 715
參考文獻 ／ 717
第八章 煙囪與高塔之風力特性與耐風設計
1. 前言 ／ 81
2. 通則 ／ 82
3. 風力特性 ／ 82
4. 風力計算 ／ 83
5. 風力係數 ／ 85
6. 橫風向之風力 ／ 88
7. 風力引起之扭矩 ／ 89
8. 設計風力之組合 ／ 89
9. 風洞試驗 ／ 89
10. 桁架高塔耐風設計 ／ 810
參考文獻 ／ 812
第九章 橋梁空氣動力學與耐風設計
1. 概論 ／ 91
2. 橋梁氣動力效應 ／ 92
3. 橋梁之數值分析 ／ 95
4. 例題分析與結果 ／ 921
參考文獻 ／ 926
第十章 大跨度屋蓋結構之風力特性與耐風設計
1. 前言 ／ 101
2. 大跨度屋蓋結構之風力特性 ／ 102
3. 大跨度屋蓋之結構特性 ／ 104
4. 大跨度屋蓋結構之耐風分析 ／ 106
5. 大跨度圓頂結構物之時域分析與現行風力規範之比較 ／ 109
6. 結論 ／ 1011
參考文獻 ／ 1013
第十一章 建築物通風
1. 建築物通風 ／ 111
2. 自然通風 ／ 112
3. 機械通風 ／ 1110
參考文獻 ／ 1113
第十二章 大氣擴散
1. 風對大氣污染擴散之效應 ／ 121
2. 大氣穩定度對煙囪排放污染煙柱擴散之效應 ／ 122
3. 煙柱之上升現象（前期擴散） ／ 123
4. 煙柱之大氣擴散（後期擴散） ／ 126
5. 大氣擴散下洗現象 ／ 1214
參考文獻 ／ 1218
第十三章 風力發電
1. 前言 ／ 131
2. 何謂風與風能 ／ 132
參考文獻 ／ 1313
第十四章 風洞試驗在建築與橋梁耐風設計上之應用
1. 前言 ／ 141
2. 大氣邊界層風洞 ／ 142
3. 模擬相似律 ／ 142
4. 常見建築物風洞試驗項目 ／ 144
5. 風洞實驗在橋梁耐風評估上之應用 ／ 149
參考文獻 ／ 1418
第十五章 CFD應用與計算風工程
1. 前言 ／ 151
2. 計算流體力學（CFD）與計算風工程（CWE）之基本異同 ／ 151
3. CFD/CWE在工程分析方法上之比較 ／ 152
4. CWE與風洞試驗方法的互補關係 ／ 153
5. 數值解析方法的基本執行步驟 ／ 155
6. CWE的基本控制方程式 ／ 156
7. CWE模擬實例 ／ 1512
參考文獻 ／ 1420
第十六章 建築物耐風設計規範及案例應用
1. 前言 ／ 161
2. 一般耐風規範之構成要素 ／ 162
3. 《規則》與《規範》適用範圍 ／ 163
4. 設計風速 ／ 164
5. 主要風力抵抗系統設計風力 ／ 166
6. 耐風性能檢核 ／ 1611
7. 一棟高寬比3至6柔性建築物主要風力抵抗系統之耐風設計 ／ 1612
8. 結論 ／ 1623
參考文獻 ／ 1624
第十七章 資訊工程在風工程之應用
1. 建物風載分析專家系統 ／ 171
2. 行人舒適度模擬分析專家系統 ／ 176
3. 類神經網路 ／ 177
4. 資訊化風工程資源整合環境 ／ 1712
5. 結論 ／ 1714
參考文獻 ／ 1716
第十八章 環境風場
1. 前言 ／ 181
2. 流場特性 ／ 182
3. 舒適度評估方法 ／ 185
4. 舒適度評估流程 ／ 188
參考文獻 ／ 1813
英中名詞對照表 ／ N1

第一章 前言
1. 風工程起源 ／ 11
2. 我國風工程發展沿革 ／ 12
3. 章節內容 ／ 13
第二章 大氣邊界層 ／
1. 大氣紊流邊界層 ／ 21
2. 平均風速剖面 ／ 22
3. 紊流強度剖面 ／ 26
4. 雷諾應力 ／ 29
5. 紊流積分尺度 ／ 210
6. 風譜 ／ 213
參考文獻 ／ 218
第三章 鈍體空氣動力學
1. 前言 ／ 31
2. 氣動力特性參數－風壓係數與風力係數 ／ 32
3. 矩柱體的氣動力特性 ／ 36
4. 圓柱體的氣動力特性 ／ 312
5. 擾動風力與風壓計算 ／ 315
6. 小結 ／ 320
參考文獻 ／ 322
第四章 結構風致振動之頻...