🌐 3D 建築層析風場模擬 (WebGL 2)

⚠️ 高精度物理模擬模式：建議使用獨立顯卡操作。💡 建議先由 2D 快篩繪製平面配置，再點擊匯出至 3D 無縫載入。

入口強風m/s自然陣風

轉盤角度°

解析度倍率1.00x

分析 Re22

空氣Re3.3M

地表粗糙度(z₀)

地況剖面

邊界條件

數值算法

01.93.85.67.5+

風速預估 (m/s)

🔍 切片 / 透視掃描

掃描高程 (Z 軸)

64.0 m

📦 3D 結構障礙物

尚無多邊形，立刻添加！

📚🌐 [Beta] 3D 建築層析風場模擬 (WebGL 2 CFD) - 專業技術說明 (Technical Details)▼

1. 核心力學與演算法架構 (Core Algorithms)

3D 陣列計算核心：搭載 WebGL 2.0 計算著色器 (Compute Shader) 進行巨量平滑平行運算，將風洞預覽躍升至空間三維尺度，完整捕捉「下洗風」與「穿廊風」等次微氣候特徵。
流體力學求解器：基於數量方法即時求解三維 Navier-Stokes 方程式，在初步環境評估與方案海選中，極大化取代傳統耗時之實體風洞前期定性試驗。
法規參數萃取：本系統著重於萃取複雜造型所衍生的局部空氣動力特性與形狀係數 (Shape Factor)，輔助工程師回歸規範計算設計風壓 (Design Wind Pressure)，填補法規矩形簡化的評估盲區。

2. 環境風場參數指南 (UI Parameters Guide)

① 入口強風 (Inlet Wind Speed, m/s) 與地況剖面 (Terrain Category)

控制梯度高度之參考流速，並受規範指數律公式制約下洗衰減：V(z) = V₁₀ × (Z / 10)^α

地況 A (α=0.33, 梯度 450m)：密集市中心，低空風速大幅削弱。
地況 B (α=0.22, 梯度 350m)：市郊或低矮民房聚落。
地況 C (α=0.15, 梯度 250m)：平坦開闊草原或海岸線。

② 近地表粗糙度 (Surface Roughness, z₀)

自動於第 1~2 層網格引入局部拖曳力 (Local Drag)，重現近地風停滯現象。

建議設定：市中心 (1.5 ~ 2.0)、市郊 (0.3 ~ 0.5)、海面/空地 (0.01 ~ 0.05)。

③ 自然陣風 (Transient Gusts)

啟用後，系統將陣風擾動強度 (Turbulence Intensity) 自動與地況耦合 (地況 A 震盪 ±30%，地況 C 僅 ±5%)。此多維度時序噪聲能打破僵化對稱流，逼出極具真實感的亂流剝離與甩動 (Buffeting)。

3. 計算域與空間設定 (Computational Domain)

AIJ 與法規建議安全距離：入風口距建築應大於 5H (高度H)；出風口背風區須淨空 10H~15H (容納尾流發展)；頂部與側向須淨空至少 5H。
邊界條件切換 (Boundary Switch)：
- 無邊界模擬：數值自動吸收外廓邊界干擾，完美消除「邊界反射」與「阻塞效應 (Blockage Ratio) 超標」問題。(強烈推薦使用)
- 有邊界模擬：絕對剛性反射壁面。若迎風投影截面積佔比 > 8%，法規強制要求額外考量文氏管加速修正。

4. 物理引擎之演算法取捨 (Engineering Philosophy)

渦度約束修正 (Vorticity Confinement)：本平台之2D 工具已引入 Steinhoff (1994) 之渦度約束機制，補償約 80% 的數值擴散。然而，3D 工具因受限於 atlas 紋理架構之網格解析度 (dx ≈ 1m，為 2D 之 4 倍)，confinement 力相對於流速之比值過高，在全場域產生不可接受之棋盤格振盪 (Checkerboard Banding)。經實測驗證後，3D 工具目前暫不啟用渦度約束，保留隱式大渦模擬 (ILES) 之原生動量傳遞行為。未來若 WebGPU 架構允許更高解析度網格，將重新評估啟用。
混合式定性工作流：做為早期介入工具，系統犧牲了耗費數週的 RANS 邊界層迭代收斂，換取每秒 60 幀即時互動的動態流場洞察。重點在評估「設計方案 A 與 B 何者引發更強的穿廊管束效應」，而非產出可直接簽證的絕對靜態風壓值。
場域尺度與初步評估定位：考量 WebGL 架構於瀏覽器端即時求解之硬體極限，本系統目前設定之 3D 實體計算域 (約 256m × 128m × 128m) 空間規模相對較小。必須客觀承認，此範圍在面臨超高層建築群或大尺度地形起伏時，可能難以完全捕捉巨觀氣象的完整演化與極遠距尾流之消散現象。因此，本團隊聲明：所有線上分析與熱力圖截面積分結果，皆純粹供工程規劃初期進行「定性快篩與初步趨勢評估 (Preliminary Assessment)」之用。若專案進入細部設計、法定審議或遭遇極端微氣候挑戰，仍應委託專業單位透過風洞物理實驗或導入商業級 CFD 核心進行大尺度、高精度之嚴密定量驗證。

5. 動態解析度原則與非均勻網格拉伸技術 (Non-uniform Z-Grid Stretching)

幾何階梯假象 (Staircase Artifacts)：傳統直角網格 (Cartesian Grid) 高度離散化往往導致地形與建築邊界形成階梯狀輪廓。當高速氣流貼地撞擊此類離散邊界時，極易激發不合理的數值壓力尖峰與寄生迴流，干擾關鍵的地表微氣候預測。
$\tanh$ 雙曲映射網格：為克服此瓶頸，本引擎實施「動態解析度原則」。數學上，我們將邏輯索引空間 (Index Space) 透過雙曲正切函數 ($\tanh$) 映射至物理高度空間，重新分配有限的切片數量。
精度效益：在不增加顯卡運算負擔之前提下，此演算法自動將系統近地表 (Z=0~10m) 區間之網格解析度壓縮放大逾 4 倍。不僅使氣流得以平順爬升跨越地形邊界，亦強化了邊界層對數風速廓線 (Logarithmic Wind Profile) 以及地表拖曳阻力 (Surface Drag) 之解析還原度。

6. 數值黏滯與有效雷諾數 (Numerical Viscosity & Effective Reynolds Number)

本工具為實現即時互動式流場視覺化，採用 Semi-Lagrangian 平流格式搭配雙線性/三線性內插進行速度場的時間積分。此數值方法雖具備無條件穩定之優勢，但其內插過程會引入顯著的數值擴散 (Numerical Diffusion)，等效數值運動黏滯度為：

ν_num = Δx² / (2·Δt) · α(1 − α)

3D 工具因 atlas 紋理架構限制，未啟用渦度約束修正（2D 工具已啟用）。數值擴散未經補償，有效黏滯度為真實空氣之數千至數萬倍。流場分析結果僅適用於有限度的定性判讀：

可正確辨識：風廊加速效應（質量守恆）、迎風停滯區（幾何決定）、銳角邊緣分離位置（幾何鎖定）。
無法正確重現：尾流結構與寬度（Re-dependent）、曲面體分離點（Re-dependent）、渦脫頻率與紊流強度（無紊流模型）。

💡 提升精度建議：在顯示卡負荷能力許可下，盡可能調高「解析度倍率」。解析度每提升一倍，數值黏滯度約降低四倍，有效雷諾數對應提升。

7. 3D Navier-Stokes 求解器數值架構與工程防呆須知 (Solver Architecture & Caveats)

⚠️ 壓力因次本質與結構耐風設計紅線：

本引擎採用 Chorin 投影法 (Projection Method)，壓力場之物理本質為「無散度約束的拉格朗日乘子 (Lagrange Multiplier)」。為維持 WebGL 每秒 60 幀平順運算，著色器內之壓力為無量綱之「擬壓力 (Pseudo-Pressure)」，不含真實物理單位 (Pascal / N/m²)。

嚴禁將系統之壓力絕對值直接乘以立面面積作為結構耐風或帷幕牆耐風壓之設計載重！所有結構工程風載重計算，必須遵守規範，提取局部風速比值推導風壓係數 C_p 後，回歸建築物耐風設計規範框架進行核算。

3D 關閉渦度約束 (Vorticity Confinement) 的物理影響：為避免粗網格激發棋盤格振盪，3D 引擎關閉了渦度約束補償。其直接後果是大樓背風面的分離渦流受數值耗散影響較快癒合，尾流區（Wake region）在視覺上比真實風洞略顯平靜，對於大樓後方之瞬態強陣風擾動評估偏向保守。
泊松求解器疊代數與質量守恆：三維全域泊松方程受限於即時 FPS 限制，RB-GS 疊代設定為 10~20 次。殘差未降至零意味著流場存在極微小的局部壓縮性與穿透誤差，但宏觀風向與加速比仍高度穩健。
非均勻網格雙曲拉伸 (Stretched Grid) 的差分度量：垂直向採用 tanh 函數集中地表解析度，其離散格式假設局部等距，在過渡剪切層存在微幅低階截斷誤差，對宏觀流動拓樸無實質影響。

🌐 3D 建築層析風場模擬 (WebGL 2)

⚠️ 高精度物理模擬模式：建議使用獨立顯卡操作。💡 建議先由 2D 快篩繪製平面配置，再點擊匯出至 3D 無縫載入。

入口強風m/s自然陣風

轉盤角度°

解析度倍率1.00x

分析 Re22

空氣Re3.3M

地表粗糙度(z₀)

地況剖面

邊界條件

數值算法

01.93.85.67.5+

風速預估 (m/s)

🔍 切片 / 透視掃描

掃描高程 (Z 軸)

64.0 m

📦 3D 結構障礙物

尚無多邊形，立刻添加！

📚🌐 [Beta] 3D 建築層析風場模擬 (WebGL 2 CFD) - 專業技術說明 (Technical Details)▼

1. 核心力學與演算法架構 (Core Algorithms)

3D 陣列計算核心：搭載 WebGL 2.0 計算著色器 (Compute Shader) 進行巨量平滑平行運算，將風洞預覽躍升至空間三維尺度，完整捕捉「下洗風」與「穿廊風」等次微氣候特徵。
流體力學求解器：基於數量方法即時求解三維 Navier-Stokes 方程式，在初步環境評估與方案海選中，極大化取代傳統耗時之實體風洞前期定性試驗。
法規參數萃取：本系統著重於萃取複雜造型所衍生的局部空氣動力特性與形狀係數 (Shape Factor)，輔助工程師回歸規範計算設計風壓 (Design Wind Pressure)，填補法規矩形簡化的評估盲區。

2. 環境風場參數指南 (UI Parameters Guide)

① 入口強風 (Inlet Wind Speed, m/s) 與地況剖面 (Terrain Category)

控制梯度高度之參考流速，並受規範指數律公式制約下洗衰減：V(z) = V₁₀ × (Z / 10)^α

地況 A (α=0.33, 梯度 450m)：密集市中心，低空風速大幅削弱。
地況 B (α=0.22, 梯度 350m)：市郊或低矮民房聚落。
地況 C (α=0.15, 梯度 250m)：平坦開闊草原或海岸線。

② 近地表粗糙度 (Surface Roughness, z₀)

自動於第 1~2 層網格引入局部拖曳力 (Local Drag)，重現近地風停滯現象。

建議設定：市中心 (1.5 ~ 2.0)、市郊 (0.3 ~ 0.5)、海面/空地 (0.01 ~ 0.05)。

③ 自然陣風 (Transient Gusts)

3. 計算域與空間設定 (Computational Domain)

AIJ 與法規建議安全距離：入風口距建築應大於 5H (高度H)；出風口背風區須淨空 10H~15H (容納尾流發展)；頂部與側向須淨空至少 5H。
邊界條件切換 (Boundary Switch)：
- 無邊界模擬：數值自動吸收外廓邊界干擾，完美消除「邊界反射」與「阻塞效應 (Blockage Ratio) 超標」問題。(強烈推薦使用)
- 有邊界模擬：絕對剛性反射壁面。若迎風投影截面積佔比 > 8%，法規強制要求額外考量文氏管加速修正。

4. 物理引擎之演算法取捨 (Engineering Philosophy)

渦度約束修正 (Vorticity Confinement)：本平台之2D 工具已引入 Steinhoff (1994) 之渦度約束機制，補償約 80% 的數值擴散。然而，3D 工具因受限於 atlas 紋理架構之網格解析度 (dx ≈ 1m，為 2D 之 4 倍)，confinement 力相對於流速之比值過高，在全場域產生不可接受之棋盤格振盪 (Checkerboard Banding)。經實測驗證後，3D 工具目前暫不啟用渦度約束，保留隱式大渦模擬 (ILES) 之原生動量傳遞行為。未來若 WebGPU 架構允許更高解析度網格，將重新評估啟用。
混合式定性工作流：做為早期介入工具，系統犧牲了耗費數週的 RANS 邊界層迭代收斂，換取每秒 60 幀即時互動的動態流場洞察。重點在評估「設計方案 A 與 B 何者引發更強的穿廊管束效應」，而非產出可直接簽證的絕對靜態風壓值。
場域尺度與初步評估定位：考量 WebGL 架構於瀏覽器端即時求解之硬體極限，本系統目前設定之 3D 實體計算域 (約 256m × 128m × 128m) 空間規模相對較小。必須客觀承認，此範圍在面臨超高層建築群或大尺度地形起伏時，可能難以完全捕捉巨觀氣象的完整演化與極遠距尾流之消散現象。因此，本團隊聲明：所有線上分析與熱力圖截面積分結果，皆純粹供工程規劃初期進行「定性快篩與初步趨勢評估 (Preliminary Assessment)」之用。若專案進入細部設計、法定審議或遭遇極端微氣候挑戰，仍應委託專業單位透過風洞物理實驗或導入商業級 CFD 核心進行大尺度、高精度之嚴密定量驗證。

5. 動態解析度原則與非均勻網格拉伸技術 (Non-uniform Z-Grid Stretching)

幾何階梯假象 (Staircase Artifacts)：傳統直角網格 (Cartesian Grid) 高度離散化往往導致地形與建築邊界形成階梯狀輪廓。當高速氣流貼地撞擊此類離散邊界時，極易激發不合理的數值壓力尖峰與寄生迴流，干擾關鍵的地表微氣候預測。
$\tanh$ 雙曲映射網格：為克服此瓶頸，本引擎實施「動態解析度原則」。數學上，我們將邏輯索引空間 (Index Space) 透過雙曲正切函數 ($\tanh$) 映射至物理高度空間，重新分配有限的切片數量。
精度效益：在不增加顯卡運算負擔之前提下，此演算法自動將系統近地表 (Z=0~10m) 區間之網格解析度壓縮放大逾 4 倍。不僅使氣流得以平順爬升跨越地形邊界，亦強化了邊界層對數風速廓線 (Logarithmic Wind Profile) 以及地表拖曳阻力 (Surface Drag) 之解析還原度。

6. 數值黏滯與有效雷諾數 (Numerical Viscosity & Effective Reynolds Number)

ν_num = Δx² / (2·Δt) · α(1 − α)

可正確辨識：風廊加速效應（質量守恆）、迎風停滯區（幾何決定）、銳角邊緣分離位置（幾何鎖定）。
無法正確重現：尾流結構與寬度（Re-dependent）、曲面體分離點（Re-dependent）、渦脫頻率與紊流強度（無紊流模型）。

💡 提升精度建議：在顯示卡負荷能力許可下，盡可能調高「解析度倍率」。解析度每提升一倍，數值黏滯度約降低四倍，有效雷諾數對應提升。

7. 3D Navier-Stokes 求解器數值架構與工程防呆須知 (Solver Architecture & Caveats)

⚠️ 壓力因次本質與結構耐風設計紅線：

3D 關閉渦度約束 (Vorticity Confinement) 的物理影響：為避免粗網格激發棋盤格振盪，3D 引擎關閉了渦度約束補償。其直接後果是大樓背風面的分離渦流受數值耗散影響較快癒合，尾流區（Wake region）在視覺上比真實風洞略顯平靜，對於大樓後方之瞬態強陣風擾動評估偏向保守。
泊松求解器疊代數與質量守恆：三維全域泊松方程受限於即時 FPS 限制，RB-GS 疊代設定為 10~20 次。殘差未降至零意味著流場存在極微小的局部壓縮性與穿透誤差，但宏觀風向與加速比仍高度穩健。
非均勻網格雙曲拉伸 (Stretched Grid) 的差分度量：垂直向採用 tanh 函數集中地表解析度，其離散格式假設局部等距，在過渡剪切層存在微幅低階截斷誤差，對宏觀流動拓樸無實質影響。

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1. 核心力學與演算法架構 (Core Algorithms)

2. 環境風場參數指南 (UI Parameters Guide)

① 入口強風 (Inlet Wind Speed, m/s) 與地況剖面 (Terrain Category)

② 近地表粗糙度 (Surface Roughness, z₀)

③ 自然陣風 (Transient Gusts)

3. 計算域與空間設定 (Computational Domain)

4. 物理引擎之演算法取捨 (Engineering Philosophy)

5. 動態解析度原則與非均勻網格拉伸技術 (Non-uniform Z-Grid Stretching)

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7. 3D Navier-Stokes 求解器數值架構與工程防呆須知 (Solver Architecture & Caveats)

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2. 環境風場參數指南 (UI Parameters Guide)

① 入口強風 (Inlet Wind Speed, m/s) 與地況剖面 (Terrain Category)

② 近地表粗糙度 (Surface Roughness, z₀)

③ 自然陣風 (Transient Gusts)

3. 計算域與空間設定 (Computational Domain)

4. 物理引擎之演算法取捨 (Engineering Philosophy)

5. 動態解析度原則與非均勻網格拉伸技術 (Non-uniform Z-Grid Stretching)

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