建筑體對下游垂直軸風力機氣動性能影響研究

摘 要：為有效利用城市風能，提高風力機運行效率，需對建筑體下游風力機位置分布開展研究。采用計算流體力學方法分析不同建筑體結構下游各位置處風速及風力機氣動性能。結果表明：建筑體對自由來流的阻塞、加速與偏轉作用可有效提高下游部分位置處風速，提升風力機氣動性能；圓形建筑體對下游流場影響較小，各位置處平均風速接近自由來流；相比之下，三角形與四邊形建筑體下游風速波動較為劇烈，平均風速較高，風力機轉矩較圓形建筑體下游風力機的有較大提升；對于相同外廓建筑體，立式矩形較大的受風面積可擴大其背風低壓區范圍，有效提高下游流場風速，較臥式矩形建筑體具有更好的聚風效果。

關鍵詞：城市風能；風力機；氣動性能；建筑體；轉矩

中圖分類號： TP392" 文獻標志碼： A

Influence of building structure on aerodynamic performance of downstream vertical axis wind turbine

FU Jiahao ，YUE Minnan，MIU Weipao，LI Chun

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：It is necessary to study the locations of wind turbine in the downstream of buildings to effectively utilize the urban wind energy and improve their operation efficiency. In this paper， the influence of building structure on wind speed and aerodynamic performance of wind turbine downstream was analyzed by computational fluid dynamics method. Results show that the blocking， acceleration， and deflection of free inlet flow by buildings can effectively improve the wind speed somewhere downstream and improve the aerodynamic performance of wind turbine. The circular structure has little influence on the downstream flow field， and the average wind speed at each location is close to the free flow. In contrast， the wind speed in the downstream of triangular and quadrilateral buildings fluctuates violently， and their average wind speed is higher. The torque of wind turbine improves greatly compared with that in the downstream of circular building. For the same outer profile of buildings， the large wind-receiving area of vertical rectangle building canincrease the leeward low-pressure area， which effectively improves the wind speed of downstream flow field and has better wind-gathering effect than the horizontal rectangular building.

Keywords：urban wind power; wind turbine; aerodynamic performance; building; torque

風能作為一種清潔可再生能源，其開發利用廣受世界各國重視，且隨著風力發電技術快速發展，風能在與傳統能源的競爭中逐漸脫穎而出［1-2］。2019年全球風電總容量超過6.15億 kW，較2018年增加10%，風電已成為世界能源產業的重要組成部分［3-4］。風力機是捕獲風能的主要裝置，當前主流的大型水平軸風力機組多安裝于遠離城市負荷中心的風資源集中區，如開闊田野與偏遠山地等，這不僅增加了運輸與維護成本，還因電網接納、跨區運輸及應對風速隨機性與間歇性能力的不足，導致較為嚴重的棄風限電現象［5-6］。

小型風力機可與建筑相結合并與城市建設相融合，成為城市建設的重要組成部分。例如，安裝于建筑頂部、建筑中央及兩建筑間的風力機等，這種風能利用形式可極大降低風力機的運輸與維護成本，同時減少電能輸送過程中的能量損失［7-8］。利用建筑結合型風力機捕獲城市風能并直接作用于城市本身，這為解決城市能源緊缺與棄風限電問題提供了技術解決方案，同時可為風力發電提供新的發展思路，因此近年來廣受學者關注［9-10］。

研究表明，城市環境平均風速普遍低于沿海、山地與農村等地區［11-12］。但由于大氣邊界層與現有障礙物的相互作用，使城市環境氣流出現加速、阻塞及再循環等氣動現象，其湍流強度也明顯提高［13］。此環境下，垂直軸風力機因具有轉速低、無需對風及噪音小等特點，更適合部署于城市環境，從而有效利用城市風能［14］。此外，垂直軸風力機發電及控制系統安裝于風力機底部，整體結構得到簡化，能進一步降低運維成本［15］。

現階段，國內外學者對運用于城市環境的風力機不斷開展研究。1930年， Honnef 等首次提出將風力機與建筑相結合的建筑增強型風力機設計概念［16］，通過利用建筑對風能的強化作用，提高風能利用率。Li 等［17］對珠江大廈建筑體空洞中的垂直軸風力機效益進行評估，指出“喇叭口”型洞口可增強來流風速，提高風力機輸出功率。Zhu 等［18］研究了不同形狀建筑擴散體對垂直軸風力機的作用效果，發現建筑擴散體可產生風能集中效應，從而提高進風質量，其中梯形擴散體聚風效應最為明顯，可顯著增大垂直軸風力機力矩峰值。此外，研究人員還發現，上游建筑體可作為渦源增強下游風速，有效提升下游垂直軸風力機氣動性能，特定位置處風力機輸出功率可提高33%［19］。Naseem 等［14］研究了垂直軸風力機在城市建筑下游區域的性能，結果表明，與自由來流風速相比，建筑體下游偏轉風具有較高速度，單建筑體偏轉風風速較自由來流風速高12%，雙建筑體偏轉風風速則高出25%，同時指出垂直軸風力機可部署在城市高層建筑的下游，以增強發電能力。

通常城市中的風力機會安裝在建筑頂部以減少其他建筑物的干擾。然而，隨著城市建筑的快速發展，對于已安裝的風力機，新建的高層建筑體結構可能影響下游垂直軸風力機氣動性能。當前研究多基于建筑增強型風力機，而對建筑體下游垂直軸風力機研究較少。因此，本文采用計算流體力學方法對垂直軸風力機在不同形狀建筑下游區域氣動特性開展研究，通過分析建筑體下游各位置處風速與風力機平均轉矩，探尋不同建筑體下游風力機最佳改裝布局位置，從而為提高城市中風力機風能利用效率提供參考方案。

1 計算模型及方法

1.1 幾何模型及主要氣動參數

垂直軸風力機使用最為廣泛的翼型為 NACA系列翼型，其厚度通常為12%～21%c［20-21］，c 為葉片弦長。考慮到風力機結構穩定性以及低風速下啟動性能［22］，本文以三葉片垂直軸風力機為研究對象，基礎翼型為 NACA0021翼型，幾何模型如圖1所示，圖中：！為風力機旋轉角速度； U 為水平入流風速；R 為風輪半徑；θ為風輪旋轉相位角。

為便于與實驗結果進行比較，具體幾何參數參照文獻[23]，如表1所示。

實度σ是垂直軸風力機重要的無因次設計參數，其定義為葉片數量 N 和弦長的乘積與風輪直徑的比值，即

尖速比λ反映了垂直軸風力機實際運行工況，其定義為葉尖切向速度與來流風速的比值，即

功率P與風能利用系數Cp 為衡量風力機氣動性能的主要指標。

式中： M 為風力機平均轉矩；ρ為來流密度；A 為葉片掃風面積。

1.2 建筑體外廓幾何模型

城市高層建筑具有多種形狀，以香港中環金融中心為例，其周圍1 km 范圍內海拔超過200m 的建筑具有三角形、四邊形與八邊形等不同截面形狀［9］。形狀各異的高層建筑對其下游低層建筑結合型風力機（簡稱風力機）具有明顯影響。為研究不同外廓建筑體聚風效果及對其下游各位置處風力機氣動性能的影響，本文分別對4種建筑體開展研究，建筑體以風力機直徑為基本尺寸，參考文獻[14]，其幾何形狀如圖2所示。

考慮到建筑體結構將引起風向偏轉，下游各區域風速變化各異，導致不同位置處風力機氣動性能差別較大。為有效獲取建筑體下游風力機最佳位置，設置9種不同的風力機布置方案，結果如表2所示（坐標原點為建筑體幾何中心）。

1.3 計算域及網格劃分

為適應不同建筑體結構，本文設計了由4種不同子域組成的計算域。圖3為計算域及邊界條件（以建筑體外廓立式矩形為例），其中： V 為入流風速。整個計算域分為3部分：外流域 Z1、旋轉域 Z2（風力機所在區域）和內流域 Z3。旋轉域外直徑為24c，內直徑為6.5c，其與外流域和內流域間采用 Interface 邊界以保證各區域信息的有效傳遞。翼型與建筑表面設置為無滑移壁面。外流域邊界 AD 為速度進口，自由來流 V 設為9 m · s?1，距建筑幾何中心20D；邊界 BC 為壓力出口，相對壓力0 Pa，距建筑幾何中心60D；邊界 AB 與 CD 設為對稱壁面，分別距建筑幾何中心30D 和20D。同時，對翼型與建筑近場區域 Z4進行加密，以有效捕捉流場細節，遠場區域采用系數網格，以節省計算資源。

旋轉域與翼型表面網格分布如圖4所示。翼型表面采用結構化網格，為保證無量綱數 y+ 1，更好地捕捉翼型壁面邊界層流動，近壁第一層網格高度取2.5 10-5 m。由于多邊形網格在數值計算過程中可表現出較好的收斂性，并能有效保證計算精度［24］，因此，計算域其余部分均由 STAR?CCM +生成多邊形網格，旋轉域采用滑移網格技術實現交界處數據傳遞［25］。

1.4 計算方法與湍流模型

由于自由來流風速較低，垂直軸風力機運行時馬赫數小于0.3，因此，流動可視為不可壓縮流動［26］。采用雙時間步法對納維?斯托克斯（N?S）控制方程進行求解，方程各項采用二階迎風格式離散。

SST k-！湍流模型結合了k-！與k-ε模型的獨立性與k-！模型的穩定性，被廣泛應用于風力機氣動特性分析［27］。因此，本文選用 SST k-！湍流模型進行求解。

2 可靠性驗證

根據計算域邊界條件與網格分布，在尖速比為2.5工況下對網格進行無關性驗證，基礎網格為9.0萬，分別加密至13.1萬、22.5萬、30.1萬和35.5萬，結果如圖5所示。

由圖5可知，網格數量由 9.0萬增加至30.1萬時，垂直軸風力機單葉片轉矩明顯增大，而當網格數量繼續由30.1萬增加至35.5萬時，轉矩變化不大，可見網格數量已滿足計算要求。因此，本文選用網格數量為30.1萬的分布方案進行計算。

圖6為不同尖速比時計算值與實驗值[23］對比情況。由于數值計算時忽略了支撐桿與塔架結構，且二維模型無法考慮葉尖損失，導致計算值與實驗值之間存在一定差異，但兩者整體變化趨勢基本一致，且在尖速比小于2.03時兩者吻合較好。因此，說明本文模型與網格分布具有較高的可靠性與準確性。

3 結果分析

由于上游建筑體對自由來流的阻塞，下游各風力機入流風速在0～24 m · s?1之間變化。為更準確地計算各風力機對城市風能的利用效率，以各風力機上游0.1 m 處實際風速作為入流風速，當尖速比為2.5時，垂直軸風力機葉片角速度隨入流風速變化如表3所示。

自由來流經過建筑體后，其速度與方向均發生劇烈變化，從而增加了下游流場的復雜程度。圖7給出了不同時刻流體繞流過程及建筑體下游速度分布矢量圖。

由圖7可知，較之圓形建筑體，三角形建筑體對下游風場影響更為明顯。對于相同外廓的矩形建筑體，立式矩形受風面積較大，受阻塞效應的影響，其下游風速變化更為顯著。

圓形建筑體來流損失較小，縱向距離較遠的7、8和9位置處風力機受建筑體影響相對較小，其入流風速接近于自由來流風速；4和6位置處風速較大，風力機入流風速較高；1和2位置處風力機則受低速流體影響較為明顯。較之圓形建筑體，三角形建筑體下游流場結構更為復雜，高風速區與低于自由來流風速區（低風速區）交互變換且隨時間不斷向下游移動，2 s 后，低風速區移至5和8位置處，風力機入流風速較低，而8 s 時，4、5、6和7位置處風速較高，從而提高了對應位置處風力機輸出功率。立式矩形建筑體對自由來流的阻塞效應加速了兩端流體的流動，前4 s，由于上端高速流體的卷吸作用提高了7、8和9位置處風力機入流風速，同時建筑體背風低速區向下游擴散，2、3、5和6位置處風速降低；受背風低速氣流影響，兩端高速氣流隨時間不斷向建筑體中線移動，6 s時，由于頂端氣流向下偏移，4和7位置處風速增大，8 s 時，1、3和6位置處風速較高。相比之下，臥式矩形建筑體下游風速波動較小，且隨時間的推移，其下游4、7、8和9位置處風速均略高于自由來流風速。

為進一步比較不同建筑體下游各位置處風力機入流風速，圖8給出了不同建筑體結構下游各位置處平均風速的變化。

對比圖8中不同建筑體下游各位置處平均風速可以發現，三角形建筑體下游平均風速普遍較高，其中4位置處平均風速最高，為13.9m · s?1，較自由來流的（圖8中虛線）提高54.3%，而3位置處平均風速最低，為10.5 m · s?1，較自由來流的亦提高16.4%；圓形建筑體下游4位置處平均風速僅為10.1 m · s?1，較自由來流的提高12.1%，且2、3、6、8和9位置處平均風速均低于自由來流風速。

立式矩形建筑體對提高其下游各位置處平均風速提高亦有較為積極的作用，除2位置外，其他位置處平均速度均在10.0 m · s?1以上，最高處為13.7 m · s?1，較自由來流的提高52.7%；對于臥式矩形建筑體，其下游部分位置處平均風速較自由來流的有所提高，其中，4、5、7和8位置處平均風速較自由來流的分別提高21.2%、8.5%、12.6%和10.0%，但與立式矩形下游相同位置處的相比分別降低8.0%、15.6%、14.3%和20.0%。

圖9為不同建筑體下游部分位置處風力機平均入流風速隨時間的變化。

由圖9可知，不同形狀建筑體下游各位置處風速變化情況差異較大，其中圓形建筑體下游風速波動幅度變化較小，各位置處平均風速略低。相比之下，具有棱角的多邊形建筑體下游風速波動較為明顯，流場較為復雜；同時，受建筑體影響，下游距離較近的4和5位置處風速波動幅度與頻率均高于距離較遠的7位置處的值。

為清晰地展示受不同建筑體影響后各位置處風力機做功情況，圖10給出了不同建筑體結構下游各位置處風力機平均轉矩。

由圖10可知，對于圓形建筑體，盡管其弧形邊界可有效降低來流損失［10］，但其下游各位置處風力機平均轉矩明顯偏低，位于建筑體下游軸線上1、2和3位置處風力機平均轉矩均低于自由來流下的值（圖中虛線），其中1位置處風力機平均轉矩較自由來流下的減少31.9%，4位置處風力機平均轉矩最高，僅比自由來流下的提高17.1%。相反，由于三角形建筑體斜邊對自由來流的導向與加速作用，使其下游軸線以外的4～9位置處風力機平均轉矩均得到極大提高，且9位置處風力機平均轉矩最高，較自由來流下的提高95.5%。

同時，通過對比圖10中立式矩形與臥式矩形建筑體下游各風力機平均轉矩可以發現，與自由來流處于不同位置關系的相同建筑體下游風力機平均轉矩有明顯差別。相比于臥式矩形建筑體，立式矩形建筑體下游較高的風速使其下游各位置處風力機平均轉矩高于臥式矩形建筑體下游各風力機，其中，8位置處風力機平均轉矩最高，為7.5 N ·m，較自由來流下的提高83.7%，且相比于臥式矩形建筑體下游同位置處風力機平均轉矩提高46.8%；而臥式矩形建筑體下游1位置處風力機平均轉距較立式矩形建筑體下游同位置處的卻降低53.6%。

為進一步比較不同建筑體下游風力機的氣動性能，圖11給出了7位置處各建筑體下游風力機輸出功率隨尖速比的變化。

由圖11可知，各建筑體下游7位置處風力機輸出功率較自由來流下的均有不同程度地提高，其中立式矩形建筑體下游風力機在尖速比小于3.0時輸出功率較高，最高時較自由來流下的提高61.4%，相同尖速比下，圓形、三角形和臥式矩形建筑體下游風力機輸出功率較自由來流下的分別僅提高17.1%、53.7%和35.5%。隨著尖速比的增大，三角形建筑下游風力機輸出功率不斷提高，當尖速比為3.3時，輸出功率較自由來流下的提高68.0%。盡管圓形與臥式矩形建筑體下游風力機輸出功率明顯偏低，但仍高于自由來流下的值，且最高（尖速比為3.08）時較自由來流下的分別提高27.6%和43.7%。因此，不同外廓建筑體對其下游7位置處均可起到不同程度的聚風效果，風力機輸出功率明顯增加，有效提高了城市風能利用效率。

4 結 論

采用計算流體力學方法研究不同建筑體對下游各位置處風力機氣動性能的作用效果，通過分析各位置處風力機入流風速變化，得出以下結論：

（1）由于阻塞效應，建筑體下游各位置處平均風速變化各異，其中，4、5、7位置處聚風效果較好，平均風速與風力機平均轉矩在不同形狀建筑體影響下均大于自由來流下的值。

（2）圓形建筑體對下游流場影響較小，各位置處平均風速接近自由來流風速，但風力機平均轉矩整體偏低，其中1位置處風力機平均轉矩較自由來流下的降低31.9%；相比之下，三角形建筑體下游各位置處平均風速與風力機平均轉矩均有明顯提升，其中，最大平均風速與風力機平均轉矩較自由來流下的分別提高54.3%和95.5%。 （3）相同形狀的建筑體，當與自由來流的位置關系不同時，其下游各位置處風力機平均轉矩有明顯差別。立式矩形建筑體受風面積廣，其背風區壓差較大，導致各位置處平均風速波動較為強烈，風力機平均轉矩較高，最高值比臥式矩形建筑體下游相同位置處風力機的提高46.8%。

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