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
●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
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
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
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
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
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
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
「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
十七級風有多強,研究員鍾光民說相當於
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。」