建筑物尾流区风资源利用的数值模拟

建筑物尾流区风资源利用的数值模拟
刘子俊;卜京;孙健;朱卫平
【摘要】ABSTRACT:This paper is based on Flunet and the standard k-
εturbulence model is used to calculate the wind field around adjacent buildings with different heights. The paper analyzes how the height difference affects the wake area of the upstream building. First,under the same downstream building height, the further from the front of the building,the smaller the wind speed ratio will be. Second,in the wake area
of the upstream building,with the increase of the downstream building height, the peaks of the wind speed ratio will rise accordingly. The inlet wind speed is assumed as 5 m/s,the output power of the wind turbine under different downstream building heights are compared based on a small scale wind turbine EW1000. It can be seen that when the downstream building is low,the wind speed where the wind turbine installed is lower than the start-up wind speed;with the increase of altitude,the output power increases.%基于Fluent软件，利用标准的湍流模型，针对不等高的相邻建筑物建模，下游建筑物完全处于上游建筑物尾流区内，分析了上下游建筑物高度差对上游建筑物尾流区的影响：同一下游建筑高度下，越远离建筑物前沿，风速比越小；在上游建筑物尾流区内，随着下游建筑物高度的升高，风速比的峰值会相应升高。

假定进口风速为5 m/s，结合1000 W的小型风机，比
较了下游建筑物不同高度下风机的输出功率，可知：当下游建筑物较低时，风机安装位置风速低于启动风速；随着下游建筑高度的升高，输出功率提升。

【期刊名称】《电网与清洁能源》
【年(卷),期】2014(000)009
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】尾流区;建筑物高度差;风速比;输出功率
【作者】刘子俊;卜京;孙健;朱卫平
【作者单位】南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094;南京理工大学自动化
学院，江苏南京 210094;江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211100;江
苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211100
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
随着城市化进程的推进，一方面，城市用电负荷日益增大，用电日益紧致；另一方面，随着建筑物的密集，建筑物中的风资源越来越丰富，给建筑物风能利用带来了一个契机。

风速是影响建筑物风能利用的首要因素，其利用效能必须建立在准确预测建筑物风环境的基础之上，主要方法包括实地测量、风洞实验和数值模拟[1-4]，最常用的方法是基于CFD软件的数值模拟。

近年来，国内外学者在模拟预测建筑物风环境及其利用方面进行了诸多的研究。

文献[5]建造了屋顶风能系统，利用建筑物对风资源的强化作用在屋顶安装风力发电机；文献[6]Stathopoulos研究了建筑物高度和风向对建筑物风场的影响；文献[7]对建筑物通道进行了研究，重点分析了其文丘里效应；文献[8]以圆柱体和三棱柱
体为模型，研究了钝体近尾流区的特性，指出钝体尾流的流动结构由流动的稳定性
所控制；文献[9]基于CFD软件对高层建筑群风场进行数值模拟分析，对建筑群的布局提供了指导意见。

大气在流经建筑物后，会产生几倍于建筑物高度尾流区。

尾流区的风速低、湍流高，不适合利用，但随着建筑物越来越密集，下游建筑物必然会存在于上游建筑物的尾流区之内，上游建筑物的尾流区会受到影响，合理的高度差会提高上游建筑物尾流区风能的利用效率[10-15]。

目前，尾流区风能的利用研究较少，本文基于Fluent 软件，利用标准的k-ε湍流模型分析了单个建筑物尾流区流场的分布情况，并针对前后排列的两个建筑进行建模，通过仿真分析不同高度差对上游建筑物尾流区流场的影响，指出建筑物的合理高度差可以提高风能利用效率。

1 建模仿真
1.1 建模
在Gambit中建模，需划分两个区域：建筑模型与流体区域。

本文主要研究对象
为建筑物尾流区。

为使尾流充分伸展，建筑物背面的区域要足够大[16-17]，图1
所示为计算区域的侧视图（xoy面）。

建筑物简化为两个长方体，建模时，除下游建筑物高度H外，其余都是定值：上游建筑物规模为20×20×10，下游建筑物规
模为20×20×H，计算区域为100×200×50。

当下游建筑物过高时，会超出上游
建筑物尾流区，对尾流区的研究就失去意义。

建筑物的尾流区的高度约两倍于建筑物自身的高度，故本文H取5、10、12、14、16、18，两建筑物间隔为10。

图1 计算区域布局侧视图Fig. 1 The lateral view of the calculation area
网格的类型和数量决定了模拟结果的准确性。

本文需要突出建筑物表面附近及其尾流区风场的变化，采用自适应性强的非结构性网格划分；由于计算机性能的限制，只能在计算机硬件条件允许的情况下尽可能细分网格。

网格划分的效果图如图2、图3所示。

图2 网格划分三维效果图Fig. 2 The 3D effect picture of meshing
1.2 仿真结果
两个相邻建筑的流场相比单个建筑物更加复杂，除了具有单个建筑物所具备的分离、绕流、回流等过程，还存在着两个建筑物之间的相互影响[18]。

本文旨在研究建筑物高度对其上游建筑物尾流区的影响，以此确定合理的高度差来提高风能利用效率。

风速是风能利用最直观的变量，选取风速合值来反映流场的变化。

图3 网格划分俯视图Fig. 3 The top view of meshing
为了与两个相邻建筑物的流场进行比较，图4给出了单个建筑物的速度合值分布
云图。

由图4可知：
图4 单个建筑的xoy面速度合值云图Fig. 4 The velocity of plane xoy of a single building
1）大气在流经建筑物后，会在其后方形成相当长距离的尾流区，并在一定范围内存在多个涡流。

2）距离建筑物越远，湍流逐渐减弱，流场有恢复正常的趋势。

图5为下游建筑物不同高度H的速度合值分布云图。

可以发现：
1）下游建筑物对上游建筑物的尾流存在很明显的影响，下游建筑物越高，其影响越大。

2）下游建筑物自身也会形成尾流区，其高度越高，尾流区越复杂。

3）尾流区大气在经过下游建筑物时，会在其前沿产生局部高风速区，且随着高度的升高，下游建筑物前沿的风速升高。

1.3 结果分析
为进一步分析下游建筑物高度对上游建筑物尾流区的影响，选取下游建筑物正上方5条垂直线段作为研究对象，在图1中其横坐标x分别为20、22、24、26、28，线段长度为H～2H。

为便于比较，引入风速比C=V/V0，其中V为特定高度处的实际风速；V0为入口风速。

图6～图10为不同高度下，风速比的垂直分布，横
坐标为风速比，纵坐标为H，即实际高度与建筑物高度的比值。

图5 不同高度H下xoy面速度合值云图Fig. 5 The velocity distribution of plane xoy under different heights
图6 下游建筑高度H=5 mFig. 6 The downstream building height H=5 m
图7 下游建筑高度H=10 mFig. 7 The downstream building height H=10 m 图8 下游建筑高度H=12 mFig. 8 The downstream building height H=12 m 图9 下游建筑高度H=14 mFig. 9 The downstream building height H=14 m 由图6～图10可知：
1）由于大气的挤压，下游建筑物上方会形成一个高风速区。

图10 下游建筑高度H=16 mFig. 10 The downstream building height H=16 m
2）同一建筑物高度下，越远离建筑物前沿，大气的挤压作用越弱，风速比越小。

3）在上游建筑物尾流区内，随着下游建筑物高度的增加，其前沿的初始风速值会提高，风速比的峰值升高，风速增强。

2 可利用风能比较
建筑物风能利用形式主要是风力发电，安装风机多为小型风机，可为垂直轴或者水平轴。

本文选用某厂家生产的1 000 W小型水平轴风机，启动风速为2.5 m/s，额定风速为12 m/s，其功率曲线如图11所示。

图11 风机功率曲线Fig. 11 The power curve of the wind turbine
根据建筑物结构，风力机的安装形式有3种：顶部安装、空洞安装和建筑通道安装。

顶部安装形式对建筑物结构没有特殊要求，模式比较简单，可以在现有建筑中推广，本文选取顶部安装。

假定风机塔架距屋顶距离为2 m，图12为下游建筑物正上方2 m处线段的风速比分布，可知随着下游建筑物高度升高，风速比先下降后升高，并在高度达到16 m时，风速比大于1。

表1给出了下游建筑不同高度所对应的最大风速比及其出现位置，并假设进口风
速为5 m/s，给出相应的风机发电功率。

由表1可知：在下游建筑高度小于10 m 时，风速低于风机启动风速，风机发电功率为0 W；随着高度升高，风机发电功
率也在相应提高。

图12 下游建筑上方2 m处风速比分布Fig. 12 The wind speed ratio distribution at 2 m above the downstream building
表1 不同高度对应的风机发电功率Tab. 1 The output of the wind turbine corresponding to a different height?
3 结语
本文基于Fluent软件，采用数值模拟的方法分析了上下游建筑物高度差对尾流区的影响，并结合具体型号风机分析了不同高度差对尾流区风资源的利用效率。

经过本文的仿真可以发现：下游建筑物的存在使上游建筑物的尾流区更加复杂，两建筑物之间的流场更加紊乱；随着下游建筑物的升高，其自身的尾流区也趋向复杂；在上游建筑物尾流区内，下游建筑物越高，风机的输出功率越高，风资源利用效率越高。

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