建筑物尾流區(qū)風(fēng)資源利用的數(shù)值模擬

劉子俊，卜京，孫健，朱衛(wèi)平

（1. 南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100）

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，一方面，城市用電負(fù)荷日益增大，用電日益緊致；另一方面，隨著建筑物的密集，建筑物中的風(fēng)資源越來越豐富，給建筑物風(fēng)能利用帶來了一個(gè)契機(jī)。風(fēng)速是影響建筑物風(fēng)能利用的首要因素，其利用效能必須建立在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物風(fēng)環(huán)境的基礎(chǔ)之上，主要方法包括實(shí)地測(cè)量、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[1-4]，最常用的方法是基于CFD軟件的數(shù)值模擬。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在模擬預(yù)測(cè)建筑物風(fēng)環(huán)境及其利用方面進(jìn)行了諸多的研究。文獻(xiàn)[5]建造了屋頂風(fēng)能系統(tǒng)，利用建筑物對(duì)風(fēng)資源的強(qiáng)化作用在屋頂安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)；文獻(xiàn)[6]Stathopoulos研究了建筑物高度和風(fēng)向?qū)ㄖ镲L(fēng)場(chǎng)的影響；文獻(xiàn)[7]對(duì)建筑物通道進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了其文丘里效應(yīng)；文獻(xiàn)[8]以圓柱體和三棱柱體為模型，研究了鈍體近尾流區(qū)的特性，指出鈍體尾流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)由流動(dòng)的穩(wěn)定性所控制；文獻(xiàn)[9]基于CFD軟件對(duì)高層建筑群風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)建筑群的布局提供了指導(dǎo)意見。

大氣在流經(jīng)建筑物后，會(huì)產(chǎn)生幾倍于建筑物高度尾流區(qū)。尾流區(qū)的風(fēng)速低、湍流高，不適合利用，但隨著建筑物越來越密集，下游建筑物必然會(huì)存在于上游建筑物的尾流區(qū)之內(nèi)，上游建筑物的尾流區(qū)會(huì)受到影響，合理的高度差會(huì)提高上游建筑物尾流區(qū)風(fēng)能的利用效率[10-15]。目前，尾流區(qū)風(fēng)能的利用研究較少，本文基于Fluent軟件，利用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型分析了單個(gè)建筑物尾流區(qū)流場(chǎng)的分布情況，并針對(duì)前后排列的兩個(gè)建筑進(jìn)行建模，通過仿真分析不同高度差對(duì)上游建筑物尾流區(qū)流場(chǎng)的影響，指出建筑物的合理高度差可以提高風(fēng)能利用效率。

1 建模仿真

1.1 建模

在Gambit中建模，需劃分兩個(gè)區(qū)域：建筑模型與流體區(qū)域。本文主要研究對(duì)象為建筑物尾流區(qū)。為使尾流充分伸展，建筑物背面的區(qū)域要足夠大[16-17]，圖1所示為計(jì)算區(qū)域的側(cè)視圖（xoy面）。建筑物簡(jiǎn)化為兩個(gè)長(zhǎng)方體，建模時(shí)，除下游建筑物高度H外，其余都是定值：上游建筑物規(guī)模為20×20×10，下游建筑物規(guī)模為20×20×H，計(jì)算區(qū)域?yàn)?00×200×50。當(dāng)下游建筑物過高時(shí)，會(huì)超出上游建筑物尾流區(qū)，對(duì)尾流區(qū)的研究就失去意義。建筑物的尾流區(qū)的高度約兩倍于建筑物自身的高度，故本文H取5、10、12、14、16、18，兩建筑物間隔為10。

圖1 計(jì)算區(qū)域布局側(cè)視圖Fig. 1 The lateral view of the calculation area

網(wǎng)格的類型和數(shù)量決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文需要突出建筑物表面附近及其尾流區(qū)風(fēng)場(chǎng)的變化，采用自適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分；由于計(jì)算機(jī)性能的限制，只能在計(jì)算機(jī)硬件條件允許的情況下盡可能細(xì)分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的效果圖如圖2、圖3所示。

圖2 網(wǎng)格劃分三維效果圖Fig. 2 The 3D effect picture of meshing

1.2 仿真結(jié)果

兩個(gè)相鄰建筑的流場(chǎng)相比單個(gè)建筑物更加復(fù)雜，除了具有單個(gè)建筑物所具備的分離、繞流、回流等過程，還存在著兩個(gè)建筑物之間的相互影響[18]。本文旨在研究建筑物高度對(duì)其上游建筑物尾流區(qū)的影響，以此確定合理的高度差來提高風(fēng)能利用效率。風(fēng)速是風(fēng)能利用最直觀的變量，選取風(fēng)速合值來反映流場(chǎng)的變化。

圖3 網(wǎng)格劃分俯視圖Fig. 3 The top view of meshing

為了與兩個(gè)相鄰建筑物的流場(chǎng)進(jìn)行比較，圖4給出了單個(gè)建筑物的速度合值分布云圖。由圖4可知：

圖4 單個(gè)建筑的xoy面速度合值云圖Fig. 4 The velocity of plane xoy of a single building

1）大氣在流經(jīng)建筑物后，會(huì)在其后方形成相當(dāng)長(zhǎng)距離的尾流區(qū)，并在一定范圍內(nèi)存在多個(gè)渦流。

2）距離建筑物越遠(yuǎn)，湍流逐漸減弱，流場(chǎng)有恢復(fù)正常的趨勢(shì)。

圖5為下游建筑物不同高度H的速度合值分布云圖。可以發(fā)現(xiàn)：

有許多使用通假字的現(xiàn)象在成語中都有所體現(xiàn)，比如:信口開河（“河”通“合”）、信而有征（“征”通“證”）、矢口否認(rèn)（“矢”通“誓”）、唇亡齒寒（“亡”通“無”）、膽戰(zhàn)心驚（“戰(zhàn)”通“顫”）、好高騖遠(yuǎn)（“騖”通“務(wù)”）等等。

1）下游建筑物對(duì)上游建筑物的尾流存在很明顯的影響，下游建筑物越高，其影響越大。

2）下游建筑物自身也會(huì)形成尾流區(qū)，其高度越高，尾流區(qū)越復(fù)雜。

3）尾流區(qū)大氣在經(jīng)過下游建筑物時(shí)，會(huì)在其前沿產(chǎn)生局部高風(fēng)速區(qū)，且隨著高度的升高，下游建筑物前沿的風(fēng)速升高。

1.3 結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析下游建筑物高度對(duì)上游建筑物尾流區(qū)的影響，選取下游建筑物正上方5條垂直線段作為研究對(duì)象，在圖1中其橫坐標(biāo)x分別為20、22、24、26、28，線段長(zhǎng)度為H～2H。為便于比較，引入風(fēng)速比C=V/V0，其中V為特定高度處的實(shí)際風(fēng)速；V0為入口風(fēng)速。圖6～圖10為不同高度下，風(fēng)速比的垂直分布，橫坐標(biāo)為風(fēng)速比，縱坐標(biāo)為H，即實(shí)際高度與建筑物高度的比值。

圖5 不同高度H下xoy面速度合值云圖Fig. 5 The velocity distribution of plane xoy under different heights

圖6 下游建筑高度H=5 mFig. 6 The downstream building height H=5 m

圖7 下游建筑高度H=10 mFig. 7 The downstream building height H=10 m

圖8 下游建筑高度H=12 mFig. 8 The downstream building height H=12 m

圖9 下游建筑高度H=14 mFig. 9 The downstream building height H=14 m

由圖6～圖10可知：

1）由于大氣的擠壓，下游建筑物上方會(huì)形成一個(gè)高風(fēng)速區(qū)。

圖10 下游建筑高度H=16 mFig. 10 The downstream building height H=16 m

3）在上游建筑物尾流區(qū)內(nèi)，隨著下游建筑物高度的增加，其前沿的初始風(fēng)速值會(huì)提高，風(fēng)速比的峰值升高，風(fēng)速增強(qiáng)。

2 可利用風(fēng)能比較

建筑物風(fēng)能利用形式主要是風(fēng)力發(fā)電，安裝風(fēng)機(jī)多為小型風(fēng)機(jī)，可為垂直軸或者水平軸。本文選用某廠家生產(chǎn)的1 000 W小型水平軸風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)風(fēng)速為2.5 m/s，額定風(fēng)速為12 m/s，其功率曲線如圖11所示。

圖11 風(fēng)機(jī)功率曲線Fig. 11 The power curve of the wind turbine

根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)，風(fēng)力機(jī)的安裝形式有3種：頂部安裝、空洞安裝和建筑通道安裝。頂部安裝形式對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，模式比較簡(jiǎn)單，可以在現(xiàn)有建筑中推廣，本文選取頂部安裝。假定風(fēng)機(jī)塔架距屋頂距離為2 m，圖12為下游建筑物正上方2 m處線段的風(fēng)速比分布，可知隨著下游建筑物高度升高，風(fēng)速比先下降后升高，并在高度達(dá)到16 m時(shí)，風(fēng)速比大于1。

表1給出了下游建筑不同高度所對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)速比及其出現(xiàn)位置，并假設(shè)進(jìn)口風(fēng)速為5 m/s，給出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)發(fā)電功率。由表1可知：在下游建筑高度小于10 m時(shí)，風(fēng)速低于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率為0 W；隨著高度升高，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率也在相應(yīng)提高。

圖12 下游建筑上方2 m處風(fēng)速比分布Fig. 12 The wind speed ratio distribution at 2 m above the downstream building

表1 不同高度對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)發(fā)電功率Tab. 1 The output of the wind turbine corresponding to a different height

3 結(jié)語

本文基于Fluent軟件，采用數(shù)值模擬的方法分析了上下游建筑物高度差對(duì)尾流區(qū)的影響，并結(jié)合具體型號(hào)風(fēng)機(jī)分析了不同高度差對(duì)尾流區(qū)風(fēng)資源的利用效率。經(jīng)過本文的仿真可以發(fā)現(xiàn)：下游建筑物的存在使上游建筑物的尾流區(qū)更加復(fù)雜，兩建筑物之間的流場(chǎng)更加紊亂；隨著下游建筑物的升高，其自身的尾流區(qū)也趨向復(fù)雜；在上游建筑物尾流區(qū)內(nèi)，下游建筑物越高，風(fēng)機(jī)的輸出功率越高，風(fēng)資源利用效率越高。

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