風場及雨滴軌跡之計算流體數值模擬

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題名:	風場及雨滴軌跡之計算流體數值模擬 Computational fluid dynamics simulation of wind field and raindrop trajectories
作者:	陳冠儒
貢獻者:	地學研究所大氣科學組
關鍵詞:	計算流體力學雨滴軌跡追蹤 CFD raindrop trajectories
日期:	2019
上傳時間:	2019-06-13 11:55:32 (UTC+8)
摘要:	近幾年來臺灣地區針對雨量站升級與新設置的氣象站逐漸增加，由於臺灣地區每年都市化程度日益增高，使許多測站都設置在建築物樓頂部分，並且建築物對於風場的影響，進一步會使風向、風速、雨量等等觀測數值受到影響，因此建築物對於風速、風向及雨量所觀測到的影響將會是一項重要的課題。在過去研究中，為了解決建築物對於風場的問題方式，可以透過風洞實驗與數值模擬瞭解風場結構受到建築物的影響，而風洞實驗所需要花費的時間及成本來看都相對數值實驗來的高，並且越來越多研究指出，數值模擬與風洞實驗得到的結果相當接近，因此越來越多對於風場的研究使用數值模擬來進行，其中計算流體力學(Computational Fluid Dynamics , CFD)的數值模擬方式受到許多研究學者喜愛，因此本研究也同樣使用CFD風場模擬進行探討。本研究首先討論不同建築物高度、長寬與L形建築物進行CFD模擬，透過這些實驗結果，幫助瞭解建築物對於風場影響的整體現象有一種初步的瞭解，再透過受到建築物影響後的三維風場作輸出，並利用4階龍格庫塔法(RK4)追蹤雨滴掉落軌跡，幫助瞭解不同風速大小及雨滴粒徑是如何影響雨滴掉落路徑，並探討對於降雨強度是否有影響。隨後利用CFD模擬去瞭解現有測站環境對於風場所影響的程度，並比對現有測站周圍環境之CFD模擬與風速風向量測數據的關係。本研究結果顯示，建築物頂部風場容易受到建築物前緣的爬升作用與建築物頂部面積的摩擦作用影響，當建築物頂部受風長度越長時，因受到的摩擦作用越大，對於影響風場的垂直高度也越高，當越接近建築物迎風面中心位置時，建築物前緣的氣流爬升的作用較建築物迎風面兩側來的明顯，所以迎風面中心位置影響風場的垂直高度相對來的高。雨滴軌跡追蹤結果表示，風速越強時，其雨滴軌跡的傾斜程度會越大，而降雨面積比會減少讀趨勢，並使量測的降雨強度減少。由自動氣象站模擬結果顯示，萬榮站風標高度設置3m時，所量測到的風速會是環境風場的82%，當風標高度設置為6m時，風速比值會相當接近1，表示風標設置在6m時風場受到建築物影響會較小，使量測到的風速較為接近環境風速。鶯歌站因為在方位80°時有一個缺口，並在模擬結果中顯示，對於該站風標高度在風向80°所得到的風速與環境風速相當接近，而其他風向會使風場受到周圍環境影響使風速都有可能有低估的現象發生。
顯示於類別:	[大氣系所] 博碩士論文

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