【非關科學】捕捉無影風--風洞實驗室

感謝內政部建研所風雨風洞實驗室的同仁和替代役小朋友們的照顧。

也謝謝超認真的編輯，雖然我有一些梗你看不太出來@@，

也一度很大聲的討論，不過我知道你是為了作品好：）

謝謝你。

還有很求好心切的美編一直要我給3D的風速剖面圖，

到現在我還是很納悶，剖面就是2D的，

有3D的剖面圖這種東西嗎？就像應該沒有2D的立體圖吧？

不懂...

寫這個系列的確滿有趣的，我很希望認識新的朋友、瞭解新的領域。

只是，也一度覺得好辛苦，我辛苦、編輯、美編、攝影也都很辛苦，

實驗室的人也被莫名其妙的煩了很久，

可是讀者卻完全沒反應... 會讓我有點不知道這麼辛苦到底有沒有必要。

總之，會把八篇寫完，接下來再看著辦吧...

p.s 上面照片我自己拍的所以可以放

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撰文/林韋萱(經典雜誌特約撰述)

攝影/徐安隆(經典雜誌攝影)

說他們能呼風喚雨，雖不中亦不遠矣。他們能決定情侶們在船頭浪漫演出鐵達尼時，船上煙囪的黑煙會不會不識相地撲面而來；也能決定穿著迷你裙的小姐，會不會因為風揚起而走光。

不過，先別急著羨慕他們。

這是內政部建築研究所的風雨風洞實驗室，位於成功大學最偏僻的歸仁校區。實驗室位於人煙罕至的甘蔗田間，離第一間商店要走十五分鐘。六個替代役男和六個男職員，有八個人不分日夜守在這個實驗室。這裡每天最大的娛樂，就是下班後的羽球時間。快到五點時，就會看到職員們邊以弓箭步姿勢，邊處理公事邊暖身。

當初我決定要報導風洞實驗室時，有同事很興奮地說：「是不是成龍《飛鷹計畫》裡面那個？」我特地去找了《飛鷹計畫》來，看看成龍如何在測試飛機性能的航空風洞裡被吹得七葷八素，還能神勇地制伏兩個壞蛋。

然而，我們採訪的實驗室，屬於風速比較慢的環境風洞，沒有什麼炫目的金屬未來感。我只好安慰自己，大部分的科學都不是那麼炫的，就像大部分的人都不像金城武或林志玲。我們就是要替這些平凡又重要的大多數發聲！

風洞簡單說來，就是個管狀空間，加上一具大風扇，目的是測量物體在氣流經過時所受的影響。它是個工具，應用在各個領域上。例如《飛鷹計畫》裡的風洞是測試飛機用、也有專門測試火箭、砲彈、汽車等的風洞。

內政部建築研究所的風洞實驗室，屬於風速比較低的環境風洞。說它風速低，其實也可以到達每秒三十五公尺，相當於十一級風，人進去的話肯定站不穩。既然是建築研究所，測試的東西就多跟建築物有關。這個風洞實驗室的業務範圍，包括測試建築物對各方向風的承載力、建築物表面受到的風壓、高層建築物對周遭微氣候的影響，也進行大氣擴散研究，像是工廠的煙囪要架多高才不會讓廢氣下沖到住宅區等等。

●在實驗室中模擬大自然

最近如果有讀者經過台北捷運市府站，看到旁邊有一塊鐵皮圍起來的基地，正要準備蓋一棟約二百一十八公尺高的大樓，那即是風洞實驗室，近日正進行的一件高樓測試的對象。

內政部頒定的建築物耐風設計規範，規定建築物高度如果超過九十公尺，就要做風洞效應評估，也就是使用主體建築和周遭建築物的模型進行風洞測試，評估包括建築物風力承載、表面風壓以及環境風場等項目。

主角上場受測前，要先布置好舞台。當然不是模型擺著，開了電風扇讓它吹就好。既然是模擬測試，這個舞台，就要盡可能接近真實大氣層中的空氣流動情況。大氣層中，最靠近地表有一層薄薄的空氣，流動特別情況特別複雜，會受到地形、溫度等因素影響，叫做「大氣邊界層」（Atmospheric boundary layer）。大氣邊界層的風速會隨著高度改變，越靠近地面的風因為建築物地形複雜、摩擦力大，風速越慢，越往上風速就會變快。但是超過了約五百到一千公尺的高度，風速就開始固定不變了。

因此，實驗室風洞的風在吹進來之後要經過一些處理：首先，會經過整流用的蜂巢網，變成像千層蛋糕一樣一層層地吹進來。然後放上三角錐型的渦流產生器，再根據受測地區的地況，究竟是都會、市郊還是海岸，排上疏密、高度不同的粗糙元，用來模擬真實環境中的山坡、建築物、樹木等等，目的就是要實驗室裡的風速，在靠近地表處會因為摩擦力減慢。

替代役男們先放上三角錐形的渦流產生器，然後用長長的木條當尺，仔細把五百個、每個重一公斤的鐵塊當成粗糙元，整整齊齊地排得像骨牌一樣，如此一來，就完成了穩定的大邊界層流。

舞台布置好後，要請主角上台。

●風力與風壓試驗

這棟還在設計中的大樓，準備要進行三種試驗：第一種就是風力載重試驗。隨著建築技術的進步，世界各地掀起了股摩天高樓競賽。為了抗震，現在的高樓大多數採用質地輕、韌性高的材料，使得建築物比較可能因為柔軟而產生位移。為了不要風一吹來，就有搖晃的感覺，在設計時，就必須測試建築物受到風力後的反應。

負責風洞實驗室的研究員黎益肇，先請模型公司製作了二百五十分之一的模型。除了受測的主體建築外，還有主體周圍方圓四百五十公尺的建築物，都以相同的比例，被仔細地用保麗龍一一做出來了。

製作好的模型最後會被放在轉盤上。使用轉盤的目的是，風吹進來的方向不是固定的，因此要旋轉模型來模擬三十六個風向。轉盤中間挖了一個大洞，準備放「六力平衡儀」，用來測量建築物模型整體受到的風力，再推算每層樓受到的風力。

這是項粗中帶細的試驗，很多器材都是好幾十公斤以上，大大考驗著研究員們的體力。果然，在搬動六力平衡儀時，就聽到他們像粗工一樣，從喉嚨深處發出「喝！」的一聲；幾個人一起搬動乘上男人尊嚴係數後號稱約七十公斤的六力平衡儀。來幫忙的風洞實驗室主任劉文欽說：「這個要二十幾萬，以後自己做就好了，很簡單，以前我們都是自己做。」大伙兒聽了一傻，隨即嘻皮笑臉道：「唉喲，長官，花點錢就好了。」

但好不容易就定位，不預期的狀況卻接連發生。首先在試吹的時候，主體建築物因為沒有和地面鎖緊，被吹倒了。模型頂端斷裂，只好再送回模型公司修補。接著是國父紀念館模型的柱子因為太細，也不小心碰斷了。為了解決種種問題，一群大男生在縮小了的信義區高樓模型中，躡手躡腳地穿梭；我在一旁看著，只覺得怎麼有種酷斯拉跳芭蕾舞的感覺。

另一個試驗，叫作建築物表面風壓試驗。周圍的保麗龍模型留著，換上一個透明、布滿孔洞的模型。每個孔洞都接了感應器，總共三百多根管線跟髮絲一樣綁成一束束，最後連到五個左右的多頻道電子式壓力掃描器。據說一個小小的壓力掃描器要價新台幣八十萬元。我和替代役男們打趣說要偷走，又想到銷贓困難，只好作罷。

風壓試驗為的是測試建築物外牆或是門窗，會不會被風吹壞。經過模型測試後，可以得知哪一區的外牆受到的風壓特別大。建築物在真正施工的時候，就可以把原尺寸的外牆或門窗，拿到風洞實驗室的好姊妹「風雨實驗室」裡，去進行試驗。

風雨實驗室會提供大風扇和噴水設備，測試建築物中最脆弱的外牆，會不會歪曲、破裂或漏水。俗話說：「頭過，身就過。」如果連最脆弱、受到風壓最大的外牆都能通過標準，那其他部分也應該沒問題了。

●環境風場測試

除了風力載重試驗和表面風壓試驗，風洞實驗室的另一個重頭戲之一，就是針對又稱為「行人風場」的「環境風場」進行偵測。

環境風場是種「微氣候」，指在建築物附近，離地面一百五十公分到二百公分的高度間，基於影響氣流運動的種種因素：包括風速、風向、建築物外型與鄰近建築物的密度等，都會影響到行人所置身的環境風場。

舉幾個例子來說好了，台北一○一大樓下，總是有股很強的「高樓風」，就是由高層建築物所引起的氣流。紐約曼哈頓的「熨斗大樓」，建於一九○二年，算是很古老的摩天樓；大樓下也有很強的高樓風，撞到高層建築物的風會在下切後，再捲起來形成一個渦漩，使得女性的裙擺隨之飛揚，所以這種風，也被稱為「掀裙風」；雖然只露出膝蓋和腳踝，在那個保守的年代已足夠引起人群騷動並駐足圍觀，於是警察不得不把這些人趕走。

另外，風水之說中很忌諱的穿堂風，又叫「門沖煞」；因為建築物的迎風面和背風面之間有氣壓差，所以只要開了個貫穿前後的通道，通道口就會有氣流快速通過，形成風的流動。

在今天，環境風場的標準是很細微、貼心的。研究人員會推估不同的區域行人的活動，再根據行人的活動來訂定風速的舒適度標準。比方說在戶外餐廳的長時間停留的人，和在人行道快速行走的行人相比，前者可能一坐就是幾十分鐘以上，只能容忍每秒五公尺以下的微風；但如果是後者，除非是硬要選這裡野餐或談情說愛，不然通常不會駐足過久，每秒九公尺的較高風速，大概就是他們能忍受的極限了。

「迎風面渦漩、穿堂風……好像不難嘛！為什麼不用電腦做數值模擬就好了，還要花時間作模型，排粗糙元什麼的？」看到研究人員那麼辛苦地實驗，我一邊偷偷想著，一邊覺得自己真是又懶又聰明啊。

沒錯，科技始終來自惰性。近年來，科學家們也確實在建立起精準的數值模擬，只是一切還在發展中。大部分規範中的風壓係數都是根據單棟、規則的建築物得到的數據，也假設建築物本身不動，並沒有考慮到建築物受風以後可能晃動、擾動了氣流，這些氣流再回頭來影響建築物受力的情況。

真正現場的狀況，可不是工程設計圖上，簡單的兩三筆就能畫出來的。除了受測主體的條件外，附近每棟樓的高度、建築物的表面粗糙或平滑、角隅設計圓弧或尖銳都會影響氣流；產生渦流與渦流間還會互相作用，再反過來影響建築物本身。這麼複雜的狀況下，用數值模擬誤差會較大，因此製作模型、測量主體建築物附近的風場，相對而言還是比較精準。

●大氣擴散試驗

在上述的三種試驗之後，「大氣擴散試驗」也是風洞實驗室的業務之一。比較常用在工廠興建前，對廢氣排放的各種測試，以免廢氣排放引起附近民眾抗爭或對身體造成傷害。

風洞實驗室前一陣子接到一個特別的案子。一艘設計中的遊艇，想要進行大氣擴散實驗，主要想知道船上煙囪排出的煙，和外頭來的霧氣，會不會影響遊艇上停機坪的飛機起降，和甲板上觀景的視線。如果煙會吹到甲板，就考慮是不是把煙囪架高，或修正船型，來避免這個問題。

類似這樣的試驗，在風洞中就會採用流場可視化的方法，來觀察氣流通過試驗體的特性時，讓平常看不到的風，添上一點色彩。比如說釋放煙霧觀察渦流；或在模型附近鋪上像草地一樣的毛氈，觀察毛氈的飄動。

除了用煙霧法，觀察煙流的走向，有時候為了讓煙霧更清晰，還會打上了雷射光，判斷當風通過試體時，是否會產生偏折、加速、渦漩等現象。對於後續進行儀器架設及數據分析時，有很大的幫助。甚至可以利用高速攝影機，觀察煙霧中粒子的速度分佈，來推測氣流的速度。

這次拍攝風洞實驗照片，也麻煩實驗室的人使用流場可視化的方式，讓渦流看起來更清晰。風洞實驗室的主任、研究員及替代役，在一片漆黑中，噴霧的噴霧、打雷射的打雷射、拿閃光燈的也趴在地上不敢亂動。

我躲在儀控室和替代役男控制風扇轉速，免得風速太高看不到渦流，太低會煙霧瀰漫。看到隔著玻璃窗中的風洞實驗室，隱約有人在黑暗中比手劃腳，指示我們調整風扇的轉速。我和替代役男面面相覷：「剛剛是比五轉，還是十五轉？」算了，直接繞個路進去風洞問。沒想到門一開，整個都是煙，可見是風速太慢，大伙兒快被煙燻昏了。漆黑的風洞中有著藍藍的雷射光，有種唱KTV的感覺。

●十七級風的滋味

在成大的同個校區中，還有其他的風洞實驗室。成功大學航空太空中心也有兩個風洞。除了研究飛機性能的穿音速風洞，還有一個低速風洞，最高風速可達每秒六十公尺，相當於十七級颶風。也因為少有能吹到那麼高風速的風洞，因此每年颱風季也成為媒體的攝影棚。

十七級風有多強，研究員鍾光民說相當於五百公斤壓在身上。有個電視台的女記者，在某次強颱之後，被迫親自嘗試了這種滋味。嗓門很大的航太中心王耀庭先生活靈活現地形容記者在風洞的樣子：年輕女記者帶著眼罩、耳罩進了風洞。攝影記者希望能吹到十七級風，但到了十三級風，這個記者就受不了了，被吹得一把鼻涕一把眼淚(因為體內外壓力不平衡，外加參雜著點委屈)。王耀庭看不下去，拿了個要受測的電線桿給她抓著，女記者被風吹到轉了大半圈，攝影記者還在跟她喊話：「再撐一下！」

王耀庭笑著問我：「你要不要也進去試試！」「不了，謝謝。」我笑著婉拒他：「我不當菜鳥很久了。」