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蔡昌全教授（右二）與同事監察風洞實驗的運作過程。
大家可能對風洞（wind tunnel）比較陌生，但風洞技術一直在航空科技發展過程中扮演重要一環，萊特兄弟在1903年試飛成功的動力飛機，機翼翼形設計也借助風洞實驗，迄今飛行器的發展仍非常仰賴風洞實驗測試，所得數據可供設計及性能驗證使用。風洞技術應用亦從航空擴散至其他領域，如污染擴散及防治、風力工程、建築設計、環境規劃等，所以風洞技術的工程應用領域相當廣泛。
香港城市大學剛於上月為新落成的風洞設施舉行開幕典禮。負責風洞設施的蔡昌全教授表示，香港發展迅速，一棟又一棟的新樓落成，而市民對生活質素要求日高，風工程研究有助尋求各方面平衡，而新的風洞設施有最先進及自動化操作功能，能針對建築、通風、橋樑、空氣污染等專題，進行各種風工程測試實驗，確保建築物能夠承受環境風壓，並保持建築物所在地段空氣流通。「對於風洞的功用，大家可能不明白，但只要搞清楚，便會了解其重要性。」 文：卡 飛 圖：由城市大學提供
徐徐的春風、清爽的秋風，居住在城裡的人們其實對風都不是很熟悉，因為四周都是高樓大廈，不要說風，就連陽光都是很稀罕的東西。相對於住在鄉郊的人，他們一「感應」到風的來臨，便急不及待拿出風箏。不過，有些人喜歡風，但他們不在室外，而是在實驗室裡。通過一種特殊的管道裝置，用巨大的鼓風機製造風，人為模擬出風在不同流速、密度和溫度下的運動狀態，看看在風吹動下，試驗模型會有何變化，這就是科學家所從事的風洞試驗。設計者依據風洞試驗提供的科學依據，能夠精確評估風對建築物的影響，還能進一步了解他所設計項目周圍風環境的狀態。
風博士眼中的風力量
成立風洞設施，城大成為本港第三所擁有風洞實驗室的大學，而負責風洞設施的建築系蔡昌全教授已從事風工程研究超過20年，他在80年代初已參與制訂香港風荷載（wind loads）規範，同時也是多項風工程研究的先驅，包括暴風雨對建築物影響和雷暴風特性等。
「隨著生活水平提高，大家愈加關心生活環境對人們身心的影響，尤其在這個污染問題日益惡化的時代，以前從來沒有出現屏風樓、熱島效應等字眼，但現在就再普通不過。」蔡昌全教授指，現時政府工程項目規劃前須通過空氣流通評估，以確保設計布局不會造成屏風效應，政府還構思將有關評估規定，從工務工程擴展至私人發展項目，所以風洞有著愈來愈大的重要性。
「香港山多平地少，過去一直十分著重高密度發展，以配合經濟發展的需要，現在生活水平高了，社會就要求在城市發展及優質生活環境之間取得平衡。城大在2005年已開始籌劃風洞設施，以求促進風荷載及環境通風研究，到了現在正式運作，有助政府推廣優質城市生活環境，造福市民。」
「例如，有些新落成的樓宇不但高，外形也很怪，令建築結構承受風力的情況變得複雜，利用風洞實驗就可以測出建築物承受各種風力的情況，以及對環境通風的影響。」
解構風洞奧秘
據蔡昌全教授介紹，風洞採用回流式設計，試驗段寬2.7米，高2米，最高風速可達每秒逾20米。風洞實驗的重點在於模擬真實環境，收集受測建築物所在地段各種氣流的數據。「風洞設施能準確模擬實際環境，配合比例精確模型，可以取得最佳效果。風洞實驗是在比例縮小的模擬環境下進行的，測試的風力也會因應比例作出調整。」
風洞設施內有一個長方形立體空間，一邊是入風口，另一盡頭安裝著一個旋轉盤，讓安放在盤上的模型可以隨意轉動，以測試不同風向對模型的影響，而轉盤上方的頂部則安裝了一個像「百葉窗」的頂蓋，稱為阻塞寬容型（blockage tolerance roof），以便在測試體積較大的模型時，測試結果不會因實驗室空間限制而受影響。
在風口和旋轉盤之間，安裝了3組可遙控其高低的金屬組塊，稱為粗糙元，作用在於模擬邊界層效果，在實驗室中準確模仿現實環境中的真實風力情況。針對以低速氣流作測試的實驗，實驗室安裝了閥門，以便工作人員控制低速氣流。
同時，新的風洞設施備有最先進的自動化操作功能，其電腦不但可以遙控風速及轉盤以模擬風向，亦可遙控粗糙元以模擬不同地形的大氣邊界層。風洞亦配備了由電腦遙控的立體移動量度系統。有了上述設備，風洞可以用來模擬大氣的環境和狀態作多方面研究，包括環境風研究、空氣流通研究、建築物和結構體上的風力和風壓研究、空氣污染研究、氣體散佈研究及建築物和橋樑的動態測量等。
風洞實驗還需要精確的模型，才能取得最佳效果。城大的風洞設施團隊有模型設計師專門製造各種模型。以一個為指定建築物進行風壓力測試的實驗為例，設計師會先製造一個比例約1:4000的山勢模型，範圍約10公里，先量度測試地點的山勢對風力影響，然後再製造比例約為1:200至1:400的精細模型，準確模仿測試地點附近的樓宇高度和形狀，收集附近環境的風數據。
風大不成 無風也不成
建築物和風有著微妙關係，風會給建築物結構施加壓力，但建築物同時會阻擋風的流動，妨礙附近地區空氣流通，情況嚴重時更會造成屏風效應等問題。「風洞實驗有助發展商預先了解樓宇承受風的能力和對環境風構成的影響，不但令結構設計更鞏固安全，還能幫助發展商選擇適當的設計，使建築物所在的環境保持空氣流通，紓緩廢氣積聚和空氣停滯的情況。」
「香港每年都有新的建築物落成，以配合持續發展的需要；但香港人對生活質素的要求日益提高，市民比先前更重視空氣質素和環境保護。為了尋求兩者之間的平衡，近年不少發展商在進行規劃時，都聘請專家作風工程研究。」
超高速的城市發展，帶來城市風環境的不斷變化，風洞試驗為實現舒適安全的環境提供了科學的手段，把城市中的樓群風害消滅在設計與試驗之中，對已經存在的危害行人的風環境，進行一些防風隔斷的設置，加以改進，努力實現現代化都市開放、環保、可持續的居住環境。
「你有留意的話，便會發現內地許多大型發展項目都有利用風洞實驗來優化設計，就連我們的新中環海濱城市設計研究，也用了風洞測試來評估空氣流通，經優化的城市設計大綱提供了無阻擋的海旁區，大幅的休憩用地容許風的滲透。」
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