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J. Agri. & Fore. : 54(2) 113'""-' 127(2005) - 113 -
Study on the Effect ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
連續式防風柵之防風功效研究
Long-Ming Huang 1) Shu-Hao Zhang 2)
黃隆明 張書豪
Abstract
Thepu中ose of this study was to explore the
effect of windbreak fence by numerical method,
which simulated the flow field around successive
windbreak. The wind tunnel experiments were
performed to veri兮， compare and analyze the
parameters of numerical model. Additionally, to
use weakly compressible flow method, large-eddy
simulation and finite volume method, the
turbulent flow field could be computed in the
neighborhood of windbreak. The results of this
study were as follows.
1. The effects of wind reduction and shelter area
of a single windbreak fence with 30%
penetration were better than that of a windbreak
wall.
2. In the case of double windbreak fences, a better
effect of interval distance was obtained from 16
~ 18H, where H = fence height.
3. For triple windbreak fences, the best effect of
interval distance was 16H and 12H in order,
i.e., the combination about the front distance
long and the back short was the best.
4. When the interval distances of triple
windbreaks were designed as same, the worst
effect of wind reduction occurred in 14H or
16H.
Keywords : windbreak fence , wind tunnel ,
penetration, weakly compressible
flow
摘要
本研究的目的在以數值方法，模擬連續式
防風柵之鄰近流場，以探討防風柵之防風功
效。研究中並從事風洞實驗，進而對數值模式
參數加以驗證、比較、探討與分析。風場計算
係採用微司壓縮流配合大渦模擬及有限體積
法，以模擬防風柵之鄰近紊流流場。綜合研究
所得結果如下:
1.一道式防風柵之孔隙率為 30%時，其防風效
果與保護區域皆優於防風牆。
1) Associate professo丸 Department of Soil and Water Conservation, National Chung-Hsing University, Taichung, Taiw曲， ROC.， Corresponding Author. 國立中興大學水土保持學系副教授，本文通訊作者
2) Master, Department ofSoil and Water Conservation, National Chung-Hsing University, Taichung, Taiwan, ROC. 國立中興大學水土保持學系碩士
- 114- Study on the Effect ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
2. 兩道式防風柵在間距區內，其防風功效以間
距 1個至 18H 較佳。 (H: 防風柵高)
3. 三道式防風柵在前後間距區內，其防風功效
以間距(16H' 12H) 前長後短之配置最
佳。
4. 三道式防風柵以等問距(14H或 16H ) 之配
置，在本研究個案中，其防風功效最差。
關鍵詞:防風柵、風洞、孔隙率、微司壓縮流
前 主=口
臺灣地處北緯 21 045 '至 25037' ，東經
1190 18 '至 12206 '間，四面環海，海岸線長
達的00 公里，為一典型海島國家。夏季時，
除颱風外，平均風速約為 3 m/s' 氣候舒適;
然而冬季時，從十月至重年三月間，由於受到
東北季風的影響，同時結合東北信風環流，因
而形成強大的風力，致使沿海風速高達 10 m/s
以上。由於強風挾帶而來的飛砂飄鹽，嚴重衝
擊沿海居民的生活，造成房舍、道路、工廠...
等，被飛砂掩埋、鹽霧腐蝕而損失慘重。
在面對這種由天然環境所造成的危害，最
根本解決之道，就是降低沿海風衝地帶的風
速，因此，以防風為主要訴求的構造物，即成
為我們賴以保護家園、維護生命財產的第一道
主要防線。同時對於各種防風構造物防風功效
之研究，亦成為防風工程上重要的課題。
以防風為主要功能的構造物，從早期沿海
區域的居民為了抵抗強風，以竹子為支柱所構
築的尼龍防風綱、蘆葦草防風籬以及離島澎湖
當地居民就地取材建構的咕咕石防風牆等設
施;到後來因應工商業發展，為了保護大型廠
房設施而建置的大型防風構造物，如麥寮工業
區的防風牆、彰潰工業區的防風堤、台中火力
發電廠鋼骨結構的防風柵網及潰海地區所栽培
佔地寬廣的木麻黃防風林，其目的皆在引導強
風偏離保護目標，避免強風帶來的危害。
上述各種防風構造物，又可分為透風式與
不透風式，對於其防風功效，在許多前人的研
究中(吳， 1981) (黃， 1989a 、 1989b 、 1997)
(王， 1995) 多所探討。為了更深入瞭解透風
式構造物之防風功效，本文乃以防風柵為標地
物、規劃多層連續性的設計，以數值方法模擬
多層防風柵之防風功效，並從事風洞試驗，進
而對數值模式參數加以驗證、比較、探討與分
析，將實驗之成果來驗證數值計算之正確性與
可行性;本研究架構如圖 l 所示。
團 l 研究架構
Fig. 1. Research scheme
- 115-J. Agri . & Fore. : 54(2) 1 n ... ", 127(2005)
其中 x 為縱向， u 為縱向速度;經由採用
雷諾平均 (Reynolds' averaging) 的假設，方程式
(6)司轉化為:
材料及方法
學+努=一位曾主+
去(一(同一拉可，ðij )+V語) ) 門J
式中ðij 為Kror叫erde叫n伽Ip~=p+今可
根據渦流粘滯性之假設 (Eddy-vìscosìty
hypothesis) ，次網格紊流剪應力項可表示為:
本研究中之流場數值模擬採用微叮壓縮流
的方法 ( Weakly compressible flow method '簡
稱WCF ) (Song & Yuan, 1988) ，並推展至黏性
流場預測之模式，以模擬防風柵相應之二維、
非恆定 (Unsteady) 紊流流場 。
一、數值模擬
一(可-t恥。)Vj耳的
(一)理論分析
數值模擬方法之控制方程式包括司壓縮流
之連續方程式以及動量方程式，用以描述模擬
區域內粘性流場的特性，其相關推演如下:
式中
月石 月石Sij =( 百五f+否可) ................. .. ........... (9)
34+V ﹒ (ρV)=O ω ðv 37+Y-VV=-7vp+VV2y.....H.H.-(2)
方程式(7)司重寫為:
導+旦去L = 一位當Ljkφ 倒式中 p 、 v 、 p 、 t 及 v 分別代表流體密度、速
度向量、壓力、時間及運動粘滯度。在
Barotropic 的假定下，連續方程式可近似為:式中巧是粘性剪應力及次綱格紊流剪應力之
和，而次網格紊首先擴散係數於方程式(8)中，係
依據 Smagorinsky (1963) 建議之型式:學+ \1 . (pc!V)=O
.. OV 。2 I且
V,=( C，~ )2( T) 式中 c為音速，含馬赫數量級平方之誤差。同
樣的，在馬赫數量級之誤差下 (Song & Yuan, 1988) ，動量方程式叮近似罵 :
a為計算網格的特徵長度， Cs 為 Smagorinsky
常數 。
至此，方程式(5)及呦，可以保守型式表等+ \1 . ( VV) = - \1φ+v\12 V 仙
刁， • 在從事空間平均處理後，物理量以指標符
號 ( Index notation ) 表示之方程式為:
i = 1, 2, 3 ... . .... . ...ω
式中純量G;及向量F.可定義成下面的矩陣型
式:
月η寸訂主 +\1 . F,=O oí5 . ð
者+百五(ρ內)=。
書!_+于一導主法
(6) (一兩一存前一(前一問)+告)
- 116- Study on the Effect ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
計算過程中，在一特定控制體積V
(Control volume) 內，經由體積積分可得:
j BG zdV+jvv-FdV=0 恤
由散度定理可得
ðGm _ 1 r vð~m = -~ J,ñ . þds ........................個
其中成為控制體積內之平均值(相對於V
之幾何中心) ;均為控制體積表面 S 法向量。
在某一起始流況下，方程式(l~可用以計算在某
一時段ðt 內 Gm 之時變值，並進一步獲得 Gm在下一時間之新值。
計算程式中採用 MacCormack (1 969) 之預
測步一校正步 (Predictor-corrector scheme) 的顯
式方法，以提高時變模擬之精確度。同時，為
了確保結果之收斂性 '.M 須受限於 Courant
Friedrichs-Lewy (1 967) 條件規範。
L1t= C . minf '''', _ ,\::1, _, , l ... ae l I v. sñ I + c I sñ I J
C 為 Courant number (本文中為 0.23)
(二)模擬設計及模擬個案
在進行數值模擬時，首先要決定流場之相
關參數，研究中將雷諾數 (Re) 定為 107 ，相對
邊界層厚度 (ö眉)定為 8 '來流的指數n值則
定為 118 。
而防風柵網格之規劃則是將單位高度 (H)
分為 40 格，其中的 12 格將邊界條件給定為司
穿透式條件，並以 4 格為一組均勻分佈於 40
格中，其餘 28 格則給定為不可穿透式條件，
以滿足防風柵孔隙率為 0.3之設計。
研究中數值模擬個案總計 17 組，區分為
三種類型:
1.一道式構造物:從事一道防風柵、防風牆與
空白流場共計三組的數值模擬，以探討防風
柵與防風牆和空白流場的差異性，並將防風
柵模擬所得之結果與風洞實驗相互比較，以
驗證模式之準確度與可行性。
2. 二道式防風柵:完全以防風柵之間距配置為
探討對象，其間距分為lOH 、 12H 、 14H 、
16H 、 18H 、 20H及 22H' 共計七組配置，
目的在於分析問距長短對減風功效的影響。
3. 三道式防風柵:共分為七組配置，其中三組
(12H， 16H) 、 (14H ， 14H) 及 (16H， 12H) ，係將
前後之間距固定 28H' 目的在探討相同範圍
下，間距的配置為先窄後寬、等問距及先寬
後窄時，其減風功效之差異;另外四組
(16H， 14H) 、 (16H， 16H) 、(1 6H， 18H) 、 (16H，
20H)以及合併先前一組 (16H， 12H) 的規劃設
計，則是將前面之間距固定為 16H' 但改變
後面的間距，目的在探討後面間距改變對減
風功效的影響。
(三)計算區域及網格大小
在從事數值模擬時，計算區域及網格大小
須審慣選定，在流場性質變化大的區域選用較
細密的網格:反之，則宜選用較大尺度的網
格，如此方能在不影響數值精確性之前提下提
昇計算效率。本研究之網格設計，採用正交網
格，而為了與模型試驗結果驗證，計算區域的
高度與上游面採十倍防風柵高 (H) ，而下游則
視防風柵個數與間距調整，至最後一道防風柵
的下游面三十倍防風柵高。茲從 17 組模擬個
案中，選取其中三組圖示其計算區域及綱格系
統，如圖 2~4 所示。
(四)邊界條件
本研究中之邊界狀況可分為不可穿透及可
穿透兩種型式，其中防風柵板及地面屬於前
者，而計算區域之入流、出流及上邊界屬於後
J. Agri. & Fore. : 54(2) 113 ........, 127(2005)
者。數值計算中皆用鏡射點 (Phantom point或
Image point) 之方法，以反映出邊界之正確流
力特性。
在速度方面，入流之速度係將上游計算區
外鏡射點之速度，以軍級數 (Power law) 邊界
層流之分佈給定;而出流及上邊界則係分別依
速度沿主流向 (X) 及垂直方向 (Z) 之變化梯度
為零之假設給定，如圖 5 所示。
在壓力方面，根據 WCF 中特徵線方法
(Method of characteristics) 之推論，入流及上邊
界鏡射點之壓力，皆取與鄰近計算區內部相應
點壓力之等值;而出流之壓力則取其平均壓力
為零，以定出整個計算區內之參考壓力
(Fang , 1989) 。
Z/H
。 10 20
圖 2 一道式防風構造物流場計算網格
Fig. 2. Mesh calculation of flow field for a single
windbreak
Z/H 15
10
5
。
團 3 二道式防風柵流場計算網惜
Fig. 3. Mesh calculation of flow field for double
windbreak fences
- 117 -
Z/H 15
~ = 16H '''2 = 14H
圖 4 三道式防風柵流場計算網格
Fig. 4. Mesh calculation of flow field for triple
windbreak fences
Z/H 15
10
____ U5=U6 ! _ , V5=V6 i '" : P5=P6
U3=U4 V3=V4
一一
-4,---Lr ro
X/H 。 。 10 20
圖 5 ;.而場數值計算可穿透邊界條件
Fig. 5. Numerical calculation ofpenetrable boun也可
∞nditions in flow field
不可穿透邊界之給定係根據不可滑動條件
(No-slip condition) ，將鏡射點之速度取為鄰近
內部點之相反值，如圖 6 所示，使得平均位置
(邊界)之速度為零;而該處之壓力，係選取
對邊界法線方向之變化梯度為零的假設給定。
8 I Interior Cell Solid Boundary
UT =. U, 7 I Phantom Cell V
7=.Va
P7 = Pa
圖 6 流場數值計算不可穿透邊界條件
Fig. 6. Numerical calculation of impenetrable
boundary conditions in flow field
- 118- Study on the Effect of Wind Reduction by the Successive Windbreak Fence
(五)起始條件
當計算開始時，流場內為靜止零流狀態，
由於上游之邊界條件驟變，使得流場內造成一
強大之壓力波 (Pressure wave) ，此壓力波在有
限的計算區內會來回移動。由於探討之狀況屬
黏性流況，此壓力波將會因擴散 (Diffusion)效
應而隨時間消滅。圖 7 顯示計算中防風柵下游
3H與柵高 O.5H 交會處典型之無因次速度歷時
結果。
二、風洞實驗
為了驗證數值模擬的準確性，研究中選擇
一道式防風柵從事風洞實驗，並將實測值和數
值結果加以比較、分析。相關之實驗設備及方
法，如下所述:
(一)實驗設備
1.次音速風洞:本實驗在國立中興大學水土保
持學系位於霧峰北溝農業試驗場的風洞實驗
圖 8 次音速風洞結構圖
室中完成，整套裝置係根據 Rae and Pope
(1984)的設計理念，配合實際需求規劃建造
而成。整體結構如圖 8 所示，包括整流段、
收縮段、測試段、擴散段及動力段，總長度
為2 1.4 公尺，風速之變化範圍為 O--..... 40mls , 經由數位變頻器控制，可連續調整。
U I U.
。
-0.5
200 400 U.tl H
600 •
團 7 流場計算典型之無因次速度歷時圍
Fig. 7. Variations oftypical dimensionless velocity
in flow field
(單位:公分)
Fig. 8. Structure diagram for wind tunnel of sub-sound speed
J. Agri. & Fore. : 54(2) 113......_127(2005)
2. 三軸移動平台:由步進馬達和台車所構成的
三軸移動平台，經由電腦程式控制驅動器帶
動步進馬達，即可從事 x 、 y 、 z 三方向移
動與定位的自動量測系統。
3 . 皮托管(凹的t tube) :實驗中流場的平均速度
係由皮托管來量測，由於實驗中截取的資料
皆以電壓為主，因此必須將皮托管所測得的
動靜壓差以下式轉換為風速:
u= 、/2g(ρ~-p)R/p ..... . ... .. .. . .............的)
式中 U: 風速(m!s)
R : 壓力差 (mm) (可由微壓計讀取其讀數)
pr: 微壓計液體密度 (kg/mJ)
ρ : 空氣流體的密度 (kg/mJ)
:重力加速度(m!S2)
在 15"(的狀況下，上式可簡化為
U=3.997JR_. ………一… 一.. ~ . .. .. . . . • .. • . .. .. .. .. . .. . ..喻
4. 壓力轉換器:本裝置為 Validyne model
DPI03-14 薄膜式壓力轉換器，其功用係藉
由皮托管動靜壓差所造成的薄膜應變 ， 而將
電壓值輸出，再經由率定即可求得不同電壓
值下的風速狀況 。
5 . 資料擷取系統:本實驗使用美國 Microstar
laboratories 公司所生產的DAPL資料擷取系
統 (Data acquisition system ' DAS) 。此系統
司同時處理 16 個頻道的訊號，經由此系統
將原本由壓力轉換器所輸出的類比 (Analog)
訊號換轉換成數位 (Digital) 訊號，並傳送至
個人電腦加以收集 。
(二)實驗方法
1.迫近流場之規劃 :為了模擬大氣素流邊界層
的環境，因而參考前人相關研究(Armi前例，
1968) (Counihan, 1970, 1973) (Standen, 1972)
(Cerm此， 1974) ，在風洞測試段前緣設置渦
流產生器及粗糙元素，以期在有限區域中建
- 119-
立理想的邊界層厚度。茲將空流場之實測資
料，經由迴歸分析後，所得到之迫近流場風
速剖面，以指數律型態表示
干旱= 0.999 (手)0 1l2 (r=0.9884料) ... 的)U吋 b吋
式中參考風速 U...r = 10.60 m!s '係於風洞進
口端下游 3.5m 、參考高度 Z"r = 50cm 處所測得，料表示達到 1%顯著水準，迫近流場
之風速剖面如圖 9 所示 。 ω)式中指數為
0.112 '依據 Simiu (1986) 之研究，本實驗所
模擬之地況介於平坦開闊之地面或草原至無
障礙物之海岸地區，分散之障礙物高度小於
9m 。
ZlZref APPROCHING FLOW
1.20 , lu凡J"r~ 0.999 (ZlZ"r) 0.112
J (R2 ~ 0.9769" ) 1.00
Z叫~ 50cm U時r ~ 10.60 m/s
0.80
0.60
。 40
0.20
0.00 UlUref
0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10
圖 9 迫近流場之平均風速剖面團
Fig. 9. Profile of mean wind speed nearest flow
field
2. 風洞實臨之雷諾數:由於大氣邊界層的雷諾
數高達 107 以上，因此要求風洞內的雷諾數
與實際情況相同幾無可能 。 根據 Cermak
(1 981) 與 Snyder (1 972) 實驗結果顯示，當雷
諾數超過臨界值 104 時， 紊流結構不受雷諾
數大小的影響。本實驗之自由流風速為
10.60 m!s '若以邊界層厚度 50 公分代表特
- 120- Study on the Effect ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
徵長度時，當室溫於 250
C的狀況下，計算所
得之流體雷語數為 3.4 X 1肘，高於臨界值;
而改以模型高 6 cm 定為特徵長度時，計算
所得之流體雷詰數為 4.1 X 104 '亦高於臨界
值，故可滿足雷諾數相似性之要求。
3. 模型之設計:本實驗之一道式防風柵模型，
採用高 6cm' 厚 0.3 cm' 寬 59.5 cm 之壓克
力板黏合而成;防風柵的間隙定為 0.6cm'
以均勻的方式設置 3 條間隙，其透風率控制
在 0.3。
4. 風速採樣點之設計:流場量測時，風速採樣
點之位置於主流向 (X 向) ，自防風柵模型
(高度 H) 之中央算起，在其上游面X/H
二-4 、 -2 及下游面X/H= 0.1 、 1 、 2 、 3 、
6 , 9 、 12 、 IS 、 18 、 21 、 2S 、 30 處，共設
置 14 個量測剖面;而於每個剖面之垂直方
向，從底部至 8 倍柵高，則共設置 36 個量
測點。
結果與討論
本研究的目的在於藉由數值模擬方法，探
討連續式防風柵之防風功效，以節省實驗量測
所須耗費的巨大人力、物力和時間。分析中針
對平均流場、迴流區範聞等流場特性進行一般
性的探討，並將長時段平均流場中的風速等值
線，於固定區域間所涵蓋之面積 (As) (於本文
中將其定義為保護面積)進行量化分析，以提
供進一步的比較結果。
一、數值模擬結果準確性之驗証
在從事數值模擬之前，為了確定模式的準
確性，因而先進行一道式防風柵的風洞實驗;
並在相同的條件下，以數值方法計算並取得與
實驗相同斷面的無因次速度值。經由測試不同
的Cs值(Smagorinsky常數)後，作圖比較，
以 Cs 等於 0.23 時 ，所取得之資料與實驗值最
為相符，如圖 10 所示。整體而言，數值模擬
與風洞實驗的結果相當符合，故而確定本模式
可應用於防風柵流場的模擬。
Z/H 16
ts個悔。fU(Z)/U_14t -.-, --.可一一- Nume個l
12• LJ 0 0 0 • 0 Experim﹒繭I Re a:: 4
圖 10 風j同實驗與數值模擬之風速剖面比較
F皂 10. Profile comparison of wind speed between
wind tunnel experiment and numerical
simulation
二、數值模擬連續式防風柵之防風功效
研究中將防風柵列數相同者定為同一種類
型，分別探討其防風功效;分析中除了討論平
均流場之特性外，並針對蚓、 0.3 及 O.S 等值
線下所涵蓋的面積，進行量化處理工作，再行
比較分析。
(一)一道式防風構造物減風特性之探討
1.保護面積百分比之比較:
分別將防風牆、防風柵及空白流場之長時
段平均速度，描繪成等值圖，如圖 11'"'-' 13 所
示。由圖中得知，來流 (inflow) 經過防風構造
物的阻擋，將風速等值線抬升，而於構造物後
方形成一低速的保護區域，足見構造物明顯較
空曠地具有減風功效。在等值線為 0.3 的狀況
下，可透風式防風柵的保護範圍約可達 20H ，
但不可透風式防風牆卻達不到 10H ，顯然防風
柵之減風功效優於防風牆。
為進一步取得量化結果加以比較，因此依
據Van et al. (1 964) 的方法， 取高1.5H及長 30H
J. Agri. & Fore. : 54(2) 113"'"'-' 127(2005)
的區撮，計算圖 11"-'13 中，防風牆、防風柵
及空白流場 0.1 、 0.3及 0.5 等值線下保護面積
百分比，結果如表 1 所示。由表 l 得知，防風
構造物確實具有顯著的減風功效，其保護面積
百分比高出空白流場 50%以上;而其中防風柵
保護面積百分比又高出防風牆約的%。
Z1H 15[" Re =呵，
ö/H=8 p.100%
5• 0:7-o os s
-10 0 10 20 30
團 11 空白流場之平均速度等值圖
Fig. 11. Equivalence diagram of mean velocity for
empty f10w field
Z1H 15 Re = 101
ö/H = 8 n =可 18
。
p.O%
X/H 30
團 12 一道式防風牆之平均速度等值圖
Fig. 12. Equivalence diagram ofmean velocity for
a single windbreak walJ
Z1H 15
10
Re 霄，且，
II/H= 8
。 10
p.30%
圖 13 一道式防風柵之平均速度等值圖
Fig. 13. Equivalence diagram ofmean velocity for
a single windbreak fence
- 121 -
表 1 空白流場與一道式防風構造物之保擅面積(%)
Table 1. Protective area (%) of empty f10w field
and single windbreak
相對 構造物型式
風速值 空白流場 防風牆 防風柵
0.1 3.1 9.2 26.3
0.3 12.7 34.1 50.4
0.5 23.1 80.2 82.2
2. 流場之比較:
再將防風柵與防風牆長時間之速度流線作
圖，如圖 14 及 15 所示。由於流體流經防風構
造物時會形成一逆壓梯度，而使流體減速，當
構造物為不可透風式的防風牆時，流體於牆頂
發生分離現象，並導致分離剪力層 (Separated
shear layer) 的產生，分離線則於構造物下游發
生再接觸現象，流體的迴流區則表現於牆與再
接觸點之間，其形狀屬於寬短型，範圍約在
O"-'6H 之間;而當構造物為可透風式防風柵
時，由於柵板間隙有流體通過，並於柵下游形
成射流，導致原本緊臨於牆下游的迴流區被往
下游推移一段距離，使得防風柵的保護區因此
增長，其形狀屬於扁長型，範圍約在 4"-' 14H
之間。
Z1H 15 Re =句 0'
ö/H = 8
。 10
p.O 祖
20 X/H
30
圖 14 一道式防風牆之平均速度流線圖
Fig. 14. Streamline diagram ofmean velocity for
a single windbreak wall
- 122- Study on the Effect ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
R. • 107
ð/H= 8 ß=30%
n .,/8
。 10 20 X/H
30
圖的一道式防風柵之平均速度流線圖
Fig. 15. S扯開mline diagram of mean velocity for
a single windbreak fence
(二)二道式防風柵減風特性之探討
由於單一式防風柵的迴流區範圍介於
4H----- 14H之間，為進一步獲得二道式防風柵之
配置狀況，所以將柵之間距分為 10H 、 12H 、
14H 、 16H 、 18H 、 20H 及 22H' 共計七組配
置，再從事模擬探討。
1.保護面積百分比之比較:
為能以量化結果說明不同間距配置對保護
面積百分比之差異，故選取1.5H 高度下，計
算出 0.1、 0.3及 0.5 等速線，於第一道與第二
道柵間的區域所涵蓋的面積佔此區域的百分
比，結果如表 2 所示。由表 2 得知，在兩道式
防風柵間，無論其間距長短，當相對風速為0.5
時，其保護面積百分比皆達到 90%以上，且隨
著間距增長而遞增;但在低風速區 0.1與 0.3
時，其保護面積最佳者為間距 16H與 18H' 由
此得知，若以低風速為設計標準時，二道式防
風柵之間距配置，應以 16H----- 18H最佳;又比
較表 2 及表 l 得知，整體而言，二道式防風柵
之防風功效優於一道式防風柵。
2. 流場之比較:
將不同間距長時間之速度流線作圖，如圖
16 所示，由圖中可以看出，當間距4、於 18H
時，在第二道柵下游所形成的迴流區，其逆流
處之流線會穿越第二道柵之間隙，而與上游之
迴流區形成逆流，故此兩迴流區是混合存在;
而當問距在 1個(含)以上時，第一道柵下游
與第二道柵下游的迴流區，則是分別獨立存
在。綜合得知，當間距不夠大時，第一道柵下
游所形成的迴流區，會緊貼在第二道柵上游，
而第二道柵下游的迴流區會緊貼在第二道柵附
近;直到間距大於 18H時，方有透過第二道柵
之氣流，將迴流區向下游推移的情形產生，且
當間距達到 22H 時，此現象更加明顯。
將不同間距迴流區之總長度加以比較得
知，當間距為 18H時，迴流區總長度最長，約
達 27H; 而當間距為 20H 與 22H 時，迴流區
總長度次之，約達 25H; 又問距為lOH時，迴
流區總長度最短，約僅 19H; 經由上述比較得
知，二道式防風柵之間距配置以 16H----- 18H最
為理想。
表 2 二道式防風柵在間距區之保護面積(%)
Table 2. Protective area (%) between double
windbreak fences
相對 間距
風速值 10H 12H 14H 16H 18H 20H 22H
0.1 52.5 53.6 53.2 56.9 56.4 55 .4 52.8
0.3 79.9 79.9 82.9 84.5 85.6 84.3 82.6
0.5 92.9 93.9 95 .4 96 96.6 96.9 97.2
(三)三道式防風柵減風特性之探討
為能進一步獲得連續式防風柵間距配置之
設計依據，因而再舉行三道式防風柵之模擬探
討。研究中將間距配置分為二種狀況，其中Ll1代表第一道防風柵與第二道防風柵的問距 ， Ll2
代表第二道防風柵與第三道防風柵的間距。
在狀況一時，將防風柵之總間距固定為
28H' 即Ll1 +Ll2 三 28H' 而第二道防風柵的位
置分別設於 12H 、 14H及 16H處，使得間距設
置形成前短後長、等問距以及前長後短等三種
情況。
J. Agri. & Fore. : 54(2) 113---.... 127(2005)
Z/H 15
Z/H 15
Z/H 15r
Z/H 15r
Z/H 15r
。 10
。 10
。 10
。 10
血1 = 10H
20 30
~，= 12H
20 30
t且，祖 14H
20 30
~，= 16H
20 30
逸， =18H
20 30
X/H 40
X/H 40
X/H 40
X/H 40
X/H 40
Z/H 15
10
Z/H 15
- 123 -
~， = 20H
X/H 1"0 20 3.0 40 5.1。
品1 = 22H
U -1E0,. "~'rT'I""I 1.0'" I2.0. '"3r0 l'""r'"I""I' 4E0'" I5'0 ,X1H
圖 16 二道式防風柵不罔聞距之平均速度流線圖
Fig. 16. Stream1ine diagram of mean velocity for
doub1e windbreak fences in different
interva1 distance
在狀況二時，則是將丸之間距固定為
16H' 再改變也之間距為 12H 、 14H 、 16H 、
18H及 20H等五種不同的配置，以探討前間距
固定，後間距變動時對防風功效的影響。
1.總間距固定對防風功效之影響:
(1)總間距固定對保護面積百分比之影響:
當三道式防風柵之總間距固定，而各別間
距(此 ， Ll2) 分別為 (12H， 16H) 、(14H， 14H) 、
(16H， 12H)時，將模擬所得的長時段平均速
度，描繪成等值圖，再計算出 0.1、 0.3及 0.5
等速線，於三道柵間的區域所酒蓋的面積佔此
區域的百分比，結果如表 3 所示。由表 3 得
知 ， 當等速線值為 0.5 時 ， 保護效果隨著A增
加而增加，但差異不大;因此，再比較等j車線
值為 0.1與 0.3時得知，當兩間距為等距離時，
其保護之面積最小，其次為前短後長型，而以
前長後短型之保護面積最大 。再將表 3 與表 2
相互比較，顯示了道式防風柵在第一道與第三
- 124- Study on the Effect ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
道間所形成的保護面積，大都較二道式防風柵
為高。
表3 總間距固定之三道式防風柵間保護面積(%)
Tab1e 3. Protective area (%) among triple
相對風速值
0.1
0 .3
0.5
windbreak fences in fixed total interval
distance
間 ~8
12H,16H 14H,14H 16H,12H
48.8 45.6 54.5
80.5 77.9 83.2
97.3 97.6 98.0
(2) 總間距固定對流場之影響
再將各配置之平均速度繪製成流線圖，如
圖 17 所示。由圍中得知，三道式防風柵之間
距區及下游區，會有三個大尺度的迴流區形
成，第一個迴流區受到射流的影響，其範圍從
第一道防風柵下游約 3H 處到第二道柵上游;
第二個迴流區受到第一個迴流區的保護，緊貼
在第二道柵附近;第三個迴流區再因柵板間隙
射流的推移，存在於第三道柵下游約 2~3H
處。
比較三個迴流區可知，在總間距固定時，
第二道防風柵的位置對迴流區的影響極大，尤
其當間距採(16H， 12H) 前長後短之配置時，保
護區除了在第一道防風柵下游射流作用區外，
幾乎涵蓋了第一與第三道防風柵間所有區域，
但其他兩種配置情況則無。此結果顯示，流線
在前進時，因受到第一個迴流區阻擋而抬升一
段距離後，會自然下降，在下降過程中，若受
到阻礙便會再度抬升，而後下降。當第二道防
風柵配置於流線第一次沈降的落點內，流線便
會因此顯著的抬升 ，並使其涵括的範圍加大，
因而此種間距配置之防風功效最佳。
再者從圖中亦可發現，第三個迴流區的尺
度皆不如前二個迴流區。由此可知，經由第一
道與第二道防風柵的屏障後，通過第三道防風
柵間隙的氣流已顯著減弱，使得第三道防風柵
後方的迴流區尺度變小;同時在衝量不夠大的
情況下，此迴流區被推移的現象不如第一道防
風柵的情形明顯。
Z/H 15
10
5
ZlH
10
Z/H
ð1 = 12H I ~言 16H
X/H 20 30 40 50
逸1 = 14H I~ 盟 14H
示熱-- 心H20 30 40 50
i且1 = 16H I ðz = 12H
X/H 。 10 2-0 30 40 50
圖 17 總間距固定之三道式防風柵平均速度流
線圖
Fig. 17. Streamline diagram of mean velocity for
triple windbreak fences in fixed total
interval distance
2 . 前間距固定後間距變動對防風功效之影響:
(1) 前間距固定後間距變動對保護面積百分
比之影響:
當三道式防風柵之前間距(A，)固定，而後
間距 (A2) 變動，其配置分別為 (16H， 12H) 、
(16H， 14H) 、 (16H， 16H) 、(l 6H， 18H) 、 (16H，
J. Agri. & Fore. : 54(2) 113------127(200日
20H)時，將模擬所得的長時段平均速度，描繪
成等值圖，再計算出 0.1、 0.3 及 0.5 等速線在
三道柵間，所涵蓋的面積佔此區域的百分比，
結果如表 4所示;由表 4 得知，當等速線值為
0.5時，其保護面積百分比皆在 98%左右;但
是在 0.1與 0.3 等速線下所保護面積百分比，
以 (16H， 16H) 為最小，其他則隨屯變動而逐漸
增大，其差異最高可達 19% ;又從表4 中進一
步比較得知， (16H， 12H) 之配置，其保護面
積百分比最大;綜合而言，等問距配置之防風
功效仍然最差，而前長後短之間距配置，其防
風功效依然最佳。
表4 閻距變動之三道式防風柵間保種面積(%)
Table 4. Protective area (%) among triple
相對
windbreak fences in different interval
distance
間 距 (H)
風速值 16.1 2' 16,14 16,16 16,18 16,20
0.1 54.5 51.4 45.7 48 .4 51.0
0.3 83 .2 83.0 79.0 78.9 81.9
0.5 98.0 98.0 98.0 98.1 98 .1
(2) 前間距固定後間距變動對流場之影響
將不同間距配置之平均速度作成流線圖，
如圓的所示。由圖 18 得知，如同總間距固定
的情況一樣，第一個迴流區，皆於第一道柵下
游約 3H 處形成，並向後延伸到第二道柵前;
第二個迴流區，則緊貼於第二道柵後，當間距
配置為(16H， 16H) 時，其迴流區最小;而第三
個迴流區，則於第三道柵下游約 2H 處形成，
但其規模略小於第二個迴流區。
另由圖中得知，當第二道與第三道防風柵
之間距超過 12H時，第二個迴流區皆未發展至
第三道防風柵， 其中又以 (14H， 14H) 之配置，
其迴流區最小。 整體而言，當前問距固定為
16H時，後間距應設計為 12H ' 如此 ， 三道式
- 125 -
防風柵才能具有最佳之防風功效。
Z1H 15
Z/H 15
Z/H 15
Z/H 15
布置 16H ，~= 14H
X/H 10 20 30 40 50 60
~1 = 16H , ~2 霄 16H
X/H 10 20 30 40 50 60
~1 = 16H '~2 置 18H
X/H
在1 = 16H , ~2 = 20H
X/H 10 20 30 40 50 60
團 18 間距變動之三道式防風柵平均速度流線圖
Fig. 18. Streamline diagram ofmean velocity for
triple windbreak fences in different
interval distance
- 126- Study on the E能ct ofWind Reduction by the Successive Windbreak Fence
結論與建議
本文是以數值方法為主，風洞實驗為輔，
從事連續式防風柵之防風功效研究，所獲致的
結果可作為爾後一般性設計之準則與指標。茲
將研究結果與建議說明如下:
1.一道式防風柵之孔隙率為 30%時，其防風效
果與保護區域皆優於防風牆。
2. 兩道式防風柵在間距區內，其防風功效以問
距 16H 至 18H 較佳。
3. 三道式防風柵在前後間距區內，其防風功效
以間距 (16H' 12H) 前長後短之配置最佳。
4. 三道式防風柵以等間距 (14H 或 16H) 之配
置，在本研究個案中，其防風功效最差。
5. 整體而言，三道式防風柵之防風功效最佳，
二道式防風柵次之，一道式防風柵最差。
6. 三道式防風柵採前間距固定，後間距變動之
配置時，對前間距區內之流場影響極徽，但
對後間距區及最下游區內之流場影響顯著。
7. 限於數值方法之瓶頸，本模式僅針對二維及
幾何外觀簡單的防風柵進行模擬，對於三維
且複雜的網狀構造物，在日益增強的電腦功
能下，建議繼續從事相關之研究。
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Received : March. 28. 2005
Accepted : May. 16. 2005