建筑物繞流風能利用
——集流構筑物集流效應的模擬研究

王玉明，葉會華

（天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384）

大氣經(jīng)過高大建筑后，在建筑物迎風角處發(fā)生分離、背風面產(chǎn)生回流[1]，距離建筑物邊緣一定距離內(nèi)的局部氣流被加速，從而形成了高能流密度、極具利用價值的濃縮風能.通過對建筑物繞流風能利用的研究可知[2-3]，建筑對風能的集結強化作用是有限的，速度增大系數(shù)在一定的范圍內(nèi)，且不夠平穩(wěn)，又難以控制.為了提高風能的品質，應該將此建筑的濃縮風能通過集流裝置收集，并進一步濃縮，然后導入渦輪機，將風能轉化成機械能.

隨著湍流工程技術研究的深入，商業(yè)分析軟件不斷發(fā)展與完善，因此可以應用CFD軟件對濃縮風能裝置進行流場仿真分析和結構優(yōu)化[4-6].筆者主要研究一種集流構筑物，采用數(shù)值模擬方法分析其風速場、風能密度場，對比分析幾種不同幾何形狀的集流構筑物的風能集流效果，以得到最優(yōu)的集流構筑物型式.

1 集流構筑物的物理數(shù)學模型

1.1 集流構筑物的物理模型

集流構筑物的作用是將繞流后的濃縮風能收集和優(yōu)化，要求在損失最小的條件下將進入引導流道的氣流加速濃縮，并平穩(wěn)、順利地引導進入渦輪電機，將濃縮風能轉化為機械能.根據(jù)不同型風道對風能利用的研究[7-8]，確定集流構筑物形狀，見圖1.集流構筑物通道進口為矩形，通道一段漸縮進一步加強風速，通過一段圓形立管使風能逐漸平穩(wěn)，直到通道出口，其中圓形立管段為風能利用段.A、B、C分別代表三種典型形狀的面：A為內(nèi)凹的曲面；B為平面；C為外凸的曲面.三種形狀的曲面均可由x-z平面上的二次曲線方程表示

方程（1）隨系數(shù)的不同可以表示為直線、圓、橢圓、拋物線、雙曲線等.沿y軸正向平移形成圖1a中面3和面4，通過改變3、4兩個面，獲得不同型的集流構筑物.

圖1 集流構筑物模型示意

通過改變集流構筑物面3和面4，獲得6種基本型式進行數(shù)值模擬分析，這6種集流構筑物剖面如圖2所示.

圖2 集流構筑物6種基本型式

1.2 集流構筑物流場的數(shù)學模型

1.2.1 假設條件

流道內(nèi)空氣實際流動過程的影響因素較多，且比較復雜,但很多因素對實際模擬結果的影響較小，可以忽略不計，因此對實際物理模型做幾點簡化假設：①物性參數(shù)恒定、氣流為不可壓縮牛頓流體；②流道內(nèi)部氣流流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動；③忽略重力的影響；④忽略流道的滲風作用.

1.2.2 控制方程

根據(jù)集流構筑物的實際情況，采用標準κ-ε模型,根據(jù)假設條件，流道內(nèi)的流體流動可用下述方程描述：

連續(xù)性方程可簡化為

動量守恒方程為

標準κ-ε模型的雙方程[9]為

式中：μ 為動力黏度；μt為湍流黏度

1.3 邊界條件的設定

邊界條件是流場變量在計算邊界上應該滿足的數(shù)學物理條件，不能隨意給定，它要求在數(shù)學上滿足適定性要求.

（1）入口邊界：入口邊界采用速度入口，且入口處的風速只有x正向風量，來流風速剖面采用指數(shù)率形式，其表達式為

式中：uz為高度z處的風速，m/s；ub為高度b處的平均風速，又稱來流風速；b為標準地面粗糙度類別下的標準參考高度，常取值為10 m，對應10 m高度的速度為3 m/s；α為地面粗糙度，取α=0.22.入口邊界采用UDF接口輸入Fluent中.

（2）出口邊界：出口處的流動符合完全發(fā)展條件，故采用自由出流邊界條件，流場中除了壓力之外的所有流動變量的正法向梯度為零.

（3）計算域頂部及兩側邊界：流域兩側及頂部離模型壁面較遠，設為對稱邊界條件.

（4）建筑物、集流構筑物各壁面及地面：采用無滑移固壁邊界條件.

2 計算域模型

根據(jù)單體建筑物繞流流場的特點，將集流構筑物與建筑物結合，集流構筑物結構本體及與建筑物結合體的計算域如圖3所示，建筑模型尺寸為X×Y×Z=10 m×20 m×10 m.

圖3 集流構筑物與建筑物結合計算域示意

3 模擬結果與討論

3.1 集流構筑物內(nèi)氣流組織特性分析

氣流經(jīng)建筑物繞流后，湍流強度增大，氣流組織變得很不穩(wěn)定，不利于風能利用.屋頂加設集流構筑物后，繞流空氣進入集流構筑物，并在其收縮段得到整流和濃縮，到達立管段后，風速和風能密度逐漸變得均勻穩(wěn)定，同時湍流強度降低，達到了風能利用要求.6種集流構筑物通道入口和出口（風能利用段）的平均風速如圖4所示.

圖4 集流構筑物入口、出口平均風速

根據(jù)風能密度的計算公式

式中：w、ρ、u分別為風能密度、空氣密度和來流風速.

6種集流構筑物通道出口附近段（風能利用段）的平均風能密度w如圖5所示.

圖5 集流構筑物風能利用段平均風能密度

圖4-5表明，6種相同進、出口通道的集流構筑物，當迎風面的形狀由凹變直，再由直變凸時，經(jīng)集流濃縮后的風速和風能能流密度都不斷增大，且整個邊界為流線型時，更有利于風速、風能的加強和優(yōu)化，即G型集流構筑物為最佳型集流構筑物基本結構.

表1為集流構筑物與建筑物結合后，建筑繞流在集流構筑物各斷面的平均風速、風能能流密度最大值及湍流強度.

表1 集流構筑物不同斷面的風場特性

表1表明，6種集流構筑物流道內(nèi)的平均流速和能流密度變化規(guī)律基本一致，氣流進入集流構筑物流道后，風速及湍流強度沿流道方向逐漸增加，在等截面段風速變化很小.

3.2 建筑物與集流構筑物周圍流場

建筑物與集流構筑物結合對流場產(chǎn)生更大影響.以E型集流構筑物為例，周圍繞流流場特性如圖6-7所示.

建筑物與集流構筑物結合（流道的尺寸和位置要根據(jù)具體建筑繞流濃縮風能特性來考慮，要注意能收集到建筑物繞流加速后的濃縮風能），繞流效應疊加，氣流進入集流構筑物逐漸變得平穩(wěn)易控，氣流到達立管利用段達到最大速度和最大風能密度，而且流道湍流強度逐漸降低，為實現(xiàn)將低品位風能變成高品位流體能提供了必要條件.

圖6 中央截面（Y=25 m）速度云圖和速度矢量圖

圖7 中央截面（Y=25 m）湍流強度云圖

4 結論

（1）設計集流構筑物時，迎風斷面應該設計成凸面，整個邊界為流線形，這樣能取得最大能流密度.

（2）集流構筑物與建筑物結合，可以將繞流氣流集聚，并使氣流的風速、風能密度增大，湍流強度降低，從而使氣流變得平穩(wěn)易控，為實現(xiàn)將低品位風能變成高品位流體能提供了必要條件；通過對既有建筑和規(guī)劃設計建筑的改造和設計，使風能達到利用指標，實際應用時，可以在來流主導方向輔以類似的集流構筑物，對繞流濃縮風能加以利用.

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