「計算風工程」（computational wind engineering；CWE）始見於第一屆國際計算風工程研討會（First International Symposium on Computational Wind Engineering）。為了要因應「計算流體力學」（computational fluid dynamics; CFD）在風工程領域中之快速發展，並突顯數值模擬（numerical simulation）計算在風工程問題解析上漸形重要之大勢所趨，於1992年日本東京舉辦的研討會中，邀集了世界各國之學者專家，除就CWE相關之研究成果作經驗之交換外，並對CWE未來之應用與展望作一確立。

計算流體力學（CFD）與計算風工程（CWE）之基本異同

CFD與CWE都是應用數值解析的方法探討工程問題的途徑。CFD著重於所有流體動力學（航空、熱傳、化工、空氣動力、水力等）問題之解析，對象為流體，屬科研與應用與並重；CWE則偏重於與風力相關實際工程問題之探討，對象不僅限於流體（風），甚而包括流體（風）與結構振動互制效應（interaction）等相關動力學問題之探討。現階段在以「風」為主題之前提下，氣流之壓縮性常被忽略，而多採用不可壓縮、紊流之流況（incompressible turbulent flows）進行問題之剖析。

CFD/CWE在工程分析方法上之比較

一般而言，在分析流體動力學相關問題常用的方法有三，即數學解析法（mathematical method）、實驗法（experimental method）與數值模擬法（numerical simulation method）三大系統。在電腦尚未被廣泛應用前，數學解析的方法常與實驗方法並列為研究方法的兩大主流。對一個流場問題而言，其求解係以一個足以正確描述流場變數（流速、壓力、溫度、濃度等）對時間與空間變化的微分方程式（亦稱控制方程式；governing equations）為本，配合以適當的起始與邊界條件（initial/boundary condition）後，應用數學工具推衍出相應之流場數學解（mathematical solution）。然而，一個動力問題相應的控制微分方程式往往是非線性（non-linear）的，對此類問題數學解之尋求並非易事。更何況在實際問題中，隨著流場區域邊界幾何或動力條件複雜程度之增加，欲獲取一個精確的流場結果往往有頗高的難度。因此，在古典的解析方法中，常將區域邊界予以簡化以利求解，甚至沿用簡化但對真實流況描述能力較差之控制方程式以獲得流場的結果。在採取此雙重簡化的情況下，雖然達成了問題解析的目的，但是結果的真確度卻可能大打折扣。有幸，隨著近年來電子計算機軟、硬體方面的快速進步，以往在數學解析方面可能遭遇的各種困難，在運用數值解析（numerical analysis）的方法後，多已迎刃而解（此即所謂CFD的方法）。值得一提的是，在古典數學解析的方法中，流場結果是以時間與空間函數的數學形式表示出來，其在時空方面之變化均具有連續性；而在數值解析方法中，則為離散化（discretized）數值形態時空分佈的流場結果。

另一方面，實驗方法包括實場量測（field measurement）與模型試驗（model experiment）兩類。通常實驗方法在執行上所費不貲，除了因設施之建構以及量測儀器與設備之整合上需要相當之空間與經費外，相對地亦會耗費人力與時間。尤其在鈍體流模型試驗研究中，因縮尺效應（scale effect）對結果可能會造成相當程度之誤差。因此，在近期風工程的研究中，常以風洞試驗量測（wind tunnel measurement）配合風場數值模擬，交相進行問題之探討。

CWE與風洞試驗方法的互補關係

在近代風工程的研究中，風洞試驗與數值模擬已成為最常被使用的兩種解析工具。前者可提供局部量測結果以作為數值模式比較與驗證之依據，待後者模式確立後則可依數值計算所有變數、全區、全時之預測結果進行問題之細部檢視與分析。在應用的考慮上，茲將二者之優缺點說明如後。

一般而言，以試驗量測的方法需要較高之成本（設施、設備、人力、電力等）且較為耗時。另一方面，數值模擬則較利於系統化之風場分析，分析者可以輕易地改變流場邊界的幾何與動力條件，以得到相應之結果。

試驗量測需要的硬體設備包括設施本體（風洞）、模型、量測儀器（視量測項目而定，如測速計、壓力計、平衡儀、放煙設備、攝影與視化設備等），並應配合以足夠大的試驗場地與量測空間。相對地，在執行數值模擬時所需要的實質空間需求並不大，但最重要的是要有運算快速且具大量資料儲存之電腦硬體設備。以一個三維（three-dimensional）真實流的模擬為例，通常要考慮使用工作站級以上或高速運算之電腦，以滿足大尺度計算之需求。

在實際問題中，其相應之幾何情況往往是複雜的。這在模型試驗中並不會造成太大的技術性問題，但在進行數值模擬時則經常會造成困擾。例如，人行道的植樹可以縮尺模型置於風洞內並進行風況量測，以評估其對人行道風（pedestrian wind）之減風效果，然欲以數值模擬來直接解析此類問題，現階段尚有一些困難有待克服。

常受限於現有量測設備之數量或能力，或為了避免對流場之干擾，於試驗中往往僅能針對有限之變數作局部性之量測。尤其在處理非恆定（unsteady）的時變問題時，其困難度更形增加。相對地，應用數值模擬的方法，可以在不造成量測儀器干擾的情況下獲取所有變數整場的時空變化結果，提供設計者詳盡的流場資料以供細部分析之用。

在從事試驗量測時，除了可能因為量測儀器對流場之干擾致使結果產生誤差外，模型試驗既有之縮尺效應（scale effect）對量測結果正確性之影響亦可能顯著。一般而言，風域中建物縮尺模型之製作常取決雷諾數（Reynolds number），為確保模型與實場二者之風況滿足相似（similarity）的條件，理論上二者相應之雷諾數應一致。但事實上，在實場之雷諾數常在107或108以上，而在模型試驗中往往最高僅能達到104至105。儘管在雷諾數夠大的情況下，無因次（dimensionless）之流場結果可能已不再受雷諾數改變之影響（即已發生所謂的高雷諾數之不變性；high-Reynolds-number invariance），然在雷諾數差距三個量級（order）以上的情況下，模型中流場之紊流結構（turbulence structure）是否確實與實場相似，則成為獲得試驗結果準確與否之關鍵。另一方面，應用數值模擬的方法進行流場解析則無縮尺效應的問題，然其預測結果亦有誤差產生的可能。諸如離散化計算引致的截斷誤差（truncation error）以及對複雜幾何邊界簡化處理所造成之誤差等，均須於模擬中使用相當緻密的網格系統方能予以消弭；但另一方面，則可能大幅增加計算量與所需之資料儲存空間。此外，為了要正確地反應出真實風場中的紊流效應（turbulence effect），數值模擬中使用紊流模型（turbulence model）的適切與否，更是影響結果精確程度的重要因素。以目前的情況而言，使用時間平均（time average）的 紊流模型或空間平均（space average）的大渦流模擬（large eddy simulation；LES）對簡單或中度複雜的風況已有許多成功的模擬實例。但在複雜程度較高的流場模擬，此二紊流模型之應用在提供高精確度風場結果上仍有相當待努力的空間。

數值解析方法的基本執行步驟

針對一個流體動力學的問題，典型數值解析方法的執行概分為如後四個步驟：

(1) 計算區域的選定

儘管在真實的情況中流場涵蓋的空間幅員可能是無限大的，然因電子計算機在運算與資料處理上能量與儲存空間之限制，基於經濟上的考量，數值計算往往僅能針對有限的空間中進行。誠然，當選取的區間（domain）愈小時愈能降低運算所需之儲存空間、能量與時間，但另一方面則往往導致計算結果誤差的增加。因此，在計算效率與誤差的雙重考慮下，如何就計算區間作一個最佳的選定（妥協），則取決於執行者的專業判斷（professional judgment）。

(2) 控制方程式的決定

針對待解的風場相關變數（速度、壓力、溫度、濃度等），下一步則為相應動力方程式的決定。在風工程的範疇中，可以選擇的例如有簡化線性的拉普拉斯方程式（Laplace equation）、忽略流體黏滯性（viscosity）效應的尤拉方程式（Euler equation）與較複雜但較接近於真實流況的那維爾史脫克斯方程式（Navier-Stokes equation）等。若想要將風場作更精確的描述或模擬，則須採用較高層次的控制方程式，而其耗費的電腦能量亦大，取捨之間執行者必須再次作專業性的判斷。目前就電腦可以提供的能量現況而言，絕大多數風工程的問題已使用基於那維爾史脫克斯方程式的數值解析，並配合以紊流模型之應用，風場預測的結果一般皆有不錯之真確性。

(3) 數值離散化

如前所述，數值方法係數學解析法的延伸。為了要應用計算機進行數值運算，就必須要將原有具時空連續性的問題轉化為離散化的狀況。換言之，在進行數值解析時，必須要把計算區域作網格形式的劃分，並針對所有網格（grid）幾何中心或網格節點（node）相應的離散位置進行流場變數之計算，以獲致風場的近似解（approximated solution）。理論上，如果取用的網格為無限小時，其計算的結果就會與真實的結果一致。此時，流場之模擬亦無需使用紊流模型。但事實上，由於此將會使得計算量變得過大而顯得極不經濟。故而，在從事數值計算時，應在確保計算結果精準度與節省計算量兩者間作一個適當的取捨，據以決定出計算網格的細密程度。

(4) 數值計算之執行

一旦網格系統建立後，接下來的工作則是數值計算方法的選取與執行。常見的數值計算方法如有限元素法（finite element method）、有限差分法（finite difference method）、有限體積法（finite volume method）等等。以有限差分法為例，則須先將連續性的微分方程式（differential equation）轉化為離散化的差分方程式（difference equation），繼而進行流場近似解的計算與求取。

數值分析所需要講解的內容十分繁雜，並不適合全部放置於本系統網頁。建議有意願學習者，應參考「風工程理論與應用」或其他相關書籍學習。本網頁僅提供概述說明。