高層擴散體建筑風能集聚效應研究

袁偉斌，王 昭，李澤彬

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

高層擴散體建筑風能集聚效應研究

袁偉斌，王 昭，李澤彬

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

為研究截面為方形的高層擴散體建筑的風能集聚效應，采用風洞試驗和CFD數值模擬相結合的方法，以平均風速、風速增大系數和湍流強度作為評價指標，選取建筑間距、風向角和建筑高差等作為控制變量，通過比較分析獲得不同情況下高層擴散體建筑風能集聚效應的最佳位置.結果表明：適當的建筑間距對集聚效應具有加強作用，而后隨間距增大集聚效應減弱，迎風面寬度相比風通道長度對風能集聚效應影響更大，且在建筑全高的1/2～5/6范圍內風能集聚效應明顯，其中在3/4處達最佳.然而，隨著建筑高差的增大，風能集聚效應逐漸減弱，其中風速最大位于相對較低側建筑全高的5/6處.

高層擴散體建筑；風洞試驗；CFD數值模擬；風能集聚效應

風能作為一種可再生綠色能源有著非常巨大的環保和經濟價值.傳統的風能利用方式主要是先在曠野、沙漠以及近海等區域安裝風力發電機組產生電能，再通過電力輸運系統進行輸送，成本較高且輸送的過程中電力損耗很大.城市高層建筑的出現為城市中風能利用提供了良好的條件，當氣流流過建筑物的頂部、兩棟建筑物之間的通道以及建筑周邊時都會使局部風速增大[1].鑒于此，通過合理利用高層建筑布局、建筑體型和風向角等在合適的位置安裝風力發電機從而達到風能利用的目的，產生的風能可以直接作用于建筑，有效地緩解了城市能源短缺問題，同時城市高層建筑與風能利用一體化的設計可以作為城市標志性的綠色建筑.矩形截面高層建筑因其靈活的結構布置和施工便利性，在工程設計中應用最為普遍，國內外已有眾多學者通過風洞試驗和CFD數值模擬的方法對方形截面建筑周圍風環境進行研究[2-6].尤其是數值模擬方法，由于計算機科學與技術的進步和發展，使得數值模擬成為除風洞試驗和現場實測之外進行風機與建筑空氣動力學研究的主要方法[7-8].陳水福和孫炳楠[9]運用數值模擬對建筑物在三維風場下的風荷載特性進行了研究，通過與風洞試驗結果的對比分析，驗證了數值模擬的有效可行.在此基礎上，部分研究發現城市建筑中兩高層建筑之間形成的峽谷效應能夠明顯增大風速，并實現風能的利用[10-11].但方形截面的高層建筑之間的風能利用研究尚缺乏量化分析數據，這為建筑與風能利用的一體化設計帶來極大困難.

針對工程中較為常見的方形擴散體建筑，筆者采用風洞實驗和數值模擬相結合的方法對高層擴散體建筑風能集聚效應進行研究.其中，風洞試驗按照我國荷載規范標準對B類地貌粗糙度下的風速剖面進行，試驗中分別考慮了不同的建筑間距和風向角的情況，對比分析了在不同工況下擴散體通道內各測點處的風特性.而數值模擬則采用全尺寸建筑模型和Realizablek—ε湍流模型，利用非結構化網格分析了建筑迎風面寬度、通道長度以及相鄰建筑有高差存在的情況下風能集聚的效應，通過對風速值、風速增大系數以及湍流強度的分析比較，得出了不同情況下高層擴散體建筑風能集聚效應最佳的位置，為綠色建筑設計和結構抗風設計提供參考.

1 風洞試驗

1.1 工程背景

常見的建筑風能利用形式主要是在建筑頂部、建筑內部開孔以及建筑通道等特定位置安裝風力發電機組，如圖1所示.由于建筑與風能利用一體化處在初期階段，世界范圍內僅有幾座建筑實現建筑與風能利用一體，其中最典型的是巴林世貿中心，在平面為橢圓形的雙塔之間沿豎直方向設置了3座跨梁，每座梁上安置了一個直徑達29 m的水平軸風力發電渦輪機.而在國內第一個風能利用建筑是高303 m的珠江大廈，其立面設置4個通道布置垂直風力渦輪機，滿足建筑的部分電力供應.

圖1 建筑環境中風力發電機常見位置分布Fig.1 Arrangements of wind turbine in buildings environment

1.2 試驗裝置

風洞試驗主要對圖1(c)所示擴散體建筑形式在B類地貌粗糙度條件下的風能集聚效應進行研究，并且以建筑間距和風向角作為控制變量.試驗在浙江大學ZD-1單回流式邊界層風洞中進行，其試驗段尺寸為長×寬×高=18 m×4 m×3 m，最高風速達55 m/s，對B類地貌和邊界層采用自主研發的多功能尖劈格柵裝置以及大小兩種不同的粗糙源進行模擬，并通過眼睛蛇三維脈動風速儀獲得風速數據，如圖2(a)所示.

圖2 風洞試驗裝置與風速測點布置Fig.2 Wind tunnel equipment and the measuring points

1.3 模型參數與風向角設置

方形擴散體建筑試驗模型尺寸為L×B×H=100 mm×100 mm×600 mm，縮尺比為1∶300，阻塞比小于3%.高層擴散體建筑間距D分別設置為4.3，6.3，8.3，10.3 cm，分別以D1，D2，D3，D4表示，對應實物建筑間距分別為13，19，25，31 m，其中13 m為高層建筑最小防火間距.考慮到90°風向角下的風速較小，進行風洞試驗所獲得湍流強度過大而導致數據失真，所以風洞試驗中僅對0°～75°范圍每隔15°設置一個工況，共計6個工況.由于城市高層建筑周圍建筑群的影響，建筑靠近地面處湍流強度很大而風向雜亂無章，因此筆者從建筑全高的1/2以上部分設置測點，風速測點位置如圖2(b)所示，風向角設置如圖3(a)所示.

圖3 風向角α與風剖面Fig.3 Arrangement of wind angle and profile of wind

1.4 風剖面特性

在風洞實驗中，通過對風洞中的來流風口模擬裝置的調整以及實驗室中地面上粗糙間距的改變達到對風速剖面模擬的目的.考慮到建筑物周圍的地形和地貌特點，采用B類地貌粗糙度指數0.15，按指數率確定在邊界層厚度內不同高度處的風速.在試驗段參考點為600 mm高度處，測得參考風速V60=12.4 m/s，湍流強度I60=0.10.圖3(b)為實測風洞不同高度處的風剖面，并與理論曲線進行了對比，剖面風速VZ與湍流強度IZ實測值與理論值吻合較好.

2 數值模擬

2.1 模型尺寸與工況設置

數值模擬采用全尺寸建筑模型和Realizablek-ε湍流模型，在上述風洞試驗的基礎上，主要針對不同的建筑迎風面寬度B、通道長度L和相鄰建筑高差Δh條件下風能集聚的效應進行研究.建立的全尺寸數值模型為M1～M7，具體參數如表1所示.0°～90°每隔15°設一個工況并記錄一次數據，風向角設置依次為工況1～7，數值模擬統一取建筑間距為D=19 m.

表1 數值模型幾何尺寸

2.2 建模與網格劃分

數值模擬的外流場計算域尺寸為長×寬×高=30d×12d×5h，其中d為建筑物特征長度，h為建筑物高度，坐標原點位于建筑模型通道中心處，建筑物中心點距流場入口邊界為10d，距出口邊界為20d，距側面邊界距均為6d.數值模型采用ANSYS軟件的Workbench建模，使用ICEM模塊進行網格劃分，且全部采用四面體非結構化網格，為更好捕捉模型周圍流動特性并提高數值模擬計算的精確度，對建筑模型周圍建立圓柱體加密網格區，對近壁面網格則采用三層棱柱體網格加密，網格尺寸分布由內到外逐漸增大，擴散體建筑模型周圍網格及壁面棱柱體網格如圖4所示.數值模型網格劃分后對加密區和外流場進行了光滑優化處理，整個計算域網格總量約400萬，其中外流場網格數約137萬，內部加密區與模型網格約263萬，且質量在0.5～1.0范圍內的網格數達98%，最終的計算誤差也滿足工程要求.由于Realizablek—ε湍流模型只適用于湍流核心區的計算，因此筆者對近壁面網格采用非平衡壁面函數法進行處理.

圖4 模型網格劃分細節Fig.4 Mesh details of the models

2.3 計算基本假定與邊界條件

為了簡化問題，對空氣流動的基本假定認為空氣流體為各向同性且不可壓縮的牛頓流體，同時忽略黏性耗散.數值模擬計算采用FLUENT軟件的Realizablek—ε湍流模型和SIMPLEC算法，邊界條件設定如下：

2) 出口邊界采用壓力出口，出口壓力設為0 Pa自由出流，計算流域的兩個側面及頂面均采用對稱邊界，相當于光滑壁面，流域地面和建筑物表面采用無滑移壁面條件.

模擬采用非定常計算，其中湍流動能以及耗散率均采用二階迎風格式．當殘差小于10-5，可以認為計算收斂[12]，即流場進入穩定狀態.

3 結果與討論

3.1 風能集聚效應評價指標

風能的利用實際上是將風能轉換為電能的過程，對于風力發電機安裝通常需要考慮較多的因素，例如應確保該位置具有較大風速但湍流度較低等條件.通常，建筑風能集聚效應采用以下3項指標[10]進行：

1)實際風速VZ通常由平均風能密度[13]來評價風能資源情況，公式為

(1)

式中：w為平均風能密度；Vi為等級風速；Ni為等級風速出現的次數；N為各等級風速Vi出現的總次數；ρ為空氣密度.由式(1)可以看出：風速的大小對平均分能密度起決定作用，因此風速作為評價建筑物集聚并利用風能的重要參數之一，風力發電機安裝的位置應該滿足風力機啟動的要求，要求風速大于風機啟動速度為3 m/s.

2)風速增大系數CV是評判建筑物風能集聚效應的重要參數，其計算公式為

CV=(V-V0)/V0

(2)

式中：V為所測位置平均風速；V0為上游相同高度處未受擾動時的風速.CV越大則建筑物對風能的集聚效應越好.

3)湍流強度IZ主要描述建筑物風場的湍流擾動程度，則高度z處的湍流強度為

(3)

3.2 數值模擬有效性分析

圖5為方形擴散體建筑數值模型M1在工況1下通道中心線沿高度各點試驗值與模擬值數據對比.試驗風速值與模擬值吻合較好且隨高度變化趨勢一致，兩者風速最大值點位置略有差異但較為接近，模擬值與試驗值誤差最大位于測點3處為2.8%，小于5%的誤差限值[12].兩者風速增大系數CV變化趨勢相同但模擬值與試驗值相比偏小.隨著高度的增加風速增大系數均緩慢減小，但在測點位置5之后，試驗值與模擬值均出現了較大幅度的下降.根據雷諾數的定義，由于在實驗中使用的是1∶300的縮尺模型，要獲得與實物一致的雷諾數，實驗風速必須是自然風速的300倍，因此要滿足雷諾數一致也是不可能的.因此，在試驗中采用的風剖面函數一致，但風洞試驗與實際風速值有差異，且風速增大系數公式中的上游未受擾動時相同高度處的風速不同，所得到的風速增大系數也會有一定差異，但都反映了擴散體通道對風速的增強效應.而湍流強度由于尖劈、粗糙元與建筑模型尺寸的影響，模擬值相比試驗值偏大，隨著高度的增加模擬值大小保持在0.18左右較為穩定，而風洞試驗湍流強度穩定在0.11附近，由于測點7處于頂部繞流區，受頂部繞流與錐形渦的影響而湍流強度值較大，但兩種方法的湍流強度最大值均小于0.25限值.

圖5 數值模擬與風洞試驗數據對比Fig.5 The comparison between numerical simulation and wind tunnel test

3.3 風能集聚效應分析

3.3.1 建筑間距D

方形擴散體建筑模型在工況1下通道內各測點的風速VZ、風速增大系數CV和湍流強度IZ隨模型間距的變化情況如圖6所示.無論在何種間距下，通道中心線上各測點風速的變化趨勢相同，均隨著高度的增加先增大后減小，不同間距模型在測點4或5位置處風速達到最大值.各測點的風速值隨著模型間距的增大而先增強后減弱，其中風速最大位于間距D2(即D=19 m)下測點4位置處為16.6 m/s，相比于同間距下的最小風速值提高了約6%，而各點的風速增大系數CV>0且隨著高度的增加逐漸減小，但趨勢較為平緩.隨著間距的增大CV值逐漸減小，其中CV最大值同樣位于間距D2下測點1位置處為0.42，相比同間距情況下的最小值提高約40%，其中測點4(建筑全高的3/4)處的風速增大系數為0.41.湍流強度除間距為D3外，其他情況下變化較為均勻，總體上隨高度增加略有減小，其中最大值為0.15.

3.3.2 風向角α

不同迎風角下擴散體建筑的等效迎風面積不同，模型的對于風能集聚效應必然有所差異.圖7為M1在間距D2時通道內各點的三個指標變化情況(D=19 m).由圖7可知：通道內各測點的風速隨著風向角的增大逐漸減小，其中工況2與工況1的風速較為接近；在工況1～3下風速變化較為平緩，測點的風速值仍保持著隨著高度的增加先增大后減小的趨勢；在工況4～6下風速值波動較大，與工況3相比風速值出現較大幅度的減小且變化無明顯規律；在工況1～3下的CV均為正值且隨著高度的增加逐漸減小;在工況4～6下CV均為負值且波動較大.

圖6 風向角為0°時測點的風特性Fig.6 The wind characteristics when α=0

圖7 不同風向角下測點的風特性Fig.7 The wind characteristics under different wind angle

圖8 數值模型M1在0°和45°風向角下的速度云圖Fig.8 The contour map of velocity for M1 when α=0° and α=45°

在間距D2下方形擴散體建筑模型集風效應較好的風向角為0°～30°，其中工況1下的集聚效應最佳.而對于湍流強度，在工況1和2下平均值為0.1，且變化較為平緩，在工況4～6下湍流度值較大且變化較為復雜，表現為風速大小具有一定的不規則性.數值模型M1在工況1和4條件下的速度云圖如圖8所示.

3.3.3 迎風面寬度B與通道長度L

數值模擬中，筆者分別對迎風面寬度和通道長度對模型集風效果的影響進行了研究.圖9所示為0°風向角下數值模型M1～M7通道內各測點三個指標的變化情況.一方面，模型保持通道長度L不變，取迎風面寬度分別為30，40，50，60 m，對應表1中的M1，M2，M3和M4.由圖9可知：各模型通道內的風速均隨著高度的增加先增大后減小，隨著迎風面寬度的增加，模型通道的風速先減小后增大.其中模型M2通道內的風速值相對較小，模型M4(B=60 m)通道內的風速值在測點1～5處相對較大，其中峰值位于測點4(建筑全高的3/4)處，可能是因為較大的迎風面寬度對來流阻擋作用增強而使較多的空氣流動聚集到通道內.另一方面，為研究通道長度對建筑的集風效應影響，數值模型保持迎風面寬度B=30 m，分別選取通道長度L分別為30，40，50，60 m，對應表1中的M1，M5，M6和M7.無論在何種通道長度下，模型各點的風速首先隨著高度的增加逐漸增大，在測點5處達到最大值，隨著高度的繼續增加逐漸減小或保持不變.其中模型M1在測點1至5處的風速以及風速增大系數均大于其他模型，且M5，M6和M7的風速與風速增大系數較為接近.模型M7在測點6和7位置處的風速和風速增大系數相比其他模型較大，風速最大位于模型M1測點5(建筑全高5/6)處.以上所有數值模型在各工況下的湍流強度較為接近，均處于0.16附近，且隨迎風面寬度增大變化較為平緩，只有測點7處由于受建筑屋頂擾流的影響出現較大的波動，但均小于0.25限值.

圖9 數值模型在不同B和L條件下風速特性Fig.9 The wind characteristics for different B and L

3.3.4 建筑高差Δh

在城市高層建筑群中，相鄰高層建筑往往存在著高度差.數值模擬中選取B=L=30m，D=19m，取相鄰建筑高度差Δh分別為0，30，60，90m進行研究.表2為不同高差下通道中心沿豎直方向風速最大點位置h0，風速最大值Vmax，風速增大系數CV和湍流強度IZ.數據顯示，隨著高差的逐漸增大，通道內的風速最大值逐漸減小且峰值位置位于較低建筑的5/6高度處，風速增大系數同樣隨著高差的增大而減小.

表2 各高差下數值模型的風特性

4 結 論

截面為方形的高層擴散體建筑具有較好的風能集聚效應.建筑通道內各測點的風速均隨著高度的增加先增大后減小，風能集聚效應隨著建筑間距的增大而先增強后減弱.在通道長度不變的情況下，集聚效應隨著迎風面寬度的增加而增強；在迎風面寬度固定時，通道內的風速隨著通道長度的增加而減小，風通道長度超過一定數值后各點的風速基本保持不變，其中在建筑全高的1/2～5/6范圍內風能集聚效應明顯，且在約全高的3/4處達最佳.對存在高差的相鄰兩高層建筑，隨著高差的增大，通道內的最大風速值以及風速增大系數均逐漸減小，集聚效應減弱，但是相應點的湍流度受高差影響無明顯變化，其中風速最大值位置位于相對較低建筑全高的5/6處.

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(責任編輯：劉 巖)

Wind energy gathering effect of diffuser high-rise buildings

YUAN Weibin, WANG Zhao, LI Zebin

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

A wind tunnel experiment and CFD numerical modeling are employed to investigate the wind-energy gathering effect of diffuser high-rise buildings with square cross-section from different wind channel spacings, altitudes and wind angles. The study explores the optimum location of the wind energy gathering by comparing the mean-speed, the increased coefficient and the turbulent intensity. The results show that the windward side width has a larger gathering effect than the channel length, and the wind channel spacing strengthens the gathering effect when the distance value distributes in a limited range. The gathering effect occurs at the 1/2 to 5/6 height of the building and reaches to the optimum value at the 3/4 height of the building. The gathering effect decreases with the increase of the difference of building heights and the maximum wind speed occurs at the 5/6 height of the lower building.

diffuser high-rise buildings; wind tunnel test; CFD numerical modeling; wind energy gathering effect

2016-06-19

浙江省自然科學基金資助項目(LY15E080023)

袁偉斌(1977—)，男，浙江嵊州人，教授，博士，研究方向為鋼結構理論與應用、鋼-混組合結構和結構風工程，E-mail:yuanwb@zjut.edu.cn.

TU973.213

A

1006-4303(2017)04-0454-07