气流绕流对某科技馆屋顶垂直轴风力机运行的影响

徐超,王振亚,孙峰,李慧杰

(1.同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海201804;2.上海屹安风能设备有限公司,上海200031)

某科技馆屋顶离地面22.45 m处,东西两侧安装两台垂直轴风力发电机,在试运行检测时发现,当风速为2～4 m/s,风向为东北风时,东侧的垂直轴风力机能够正常运行,而西侧的垂直轴风力机基本不能运行。为了分析造成这种情况的原因以便采取有效措施进行改进,本文应用CFD[1]方法,对气流进行了模拟。模拟工作沿科技馆8个方向来流,每个方向来流取三个不同风速(2m/s,5 m/s,10m/s),然后根据计算结果分析屋顶气流流动情况。

1 计算模型和网格处理

用UG软件建立科技馆屋顶和垂直轴风力机的三维模型,如图1。计算采用的湍流模型为RNG kepsilon,壁面附近采用标准壁面函数,并把进口设为速度边界条件,出口设为压力边界条件。计算域内的流场用Hyper M esh软件生成面网格,用T-grid软件生成非结构化的四面体网格,网格总数约为350万(如图2)。采用雷诺时均的N-S方程做定常计算,湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用一阶迎风格式离散,MRF隐式分离、SIM PLE压力速度耦合[2]。

2 计算结果和分析

2.1 原安装高度的风力机迎面风速

图3为不同风向、风速时,东、西两侧垂直轴风力机原安装高度迎面风速的计算结果。图中列出了每一风向有3组数据,自左向右分别为三种来流风速时的东、西两侧垂直轴风力机迎面风速计算结果。

图1 科技馆和周边建筑的几何模型

图2 科技馆和周边建筑计算网格

根据图3风速为2 m/s时的计算结果可见:(1)东北风向来流时,东侧垂直轴风力机的迎面风速为2m/s,而西侧风力机的迎面风速低于1.2 m/s,无法正常启动;(2)西北风向来流时,西侧垂直轴风力机的迎面风速为2m/s,而东侧垂直轴风力机迎面风速低于1 m/s,也会无法正常启动;(3)正北风向时,东、西两侧风力机的迎面风速约为1.5 m/s,基本可以启动;(4)正南、西南和东南风向来流时,东、西两侧垂直轴风力机的迎面风速为2 m/s,可以正常启动。

图3 东、西两侧垂直轴风力机安装高度升高前的迎面风速度

分析图3中不同风向,风速为10 m/s时的计算结果可见:西南、正南风向时,东、西两侧垂直轴风力机迎面风速均在10m/s左右;正北风向时,东、西两侧垂直轴风力机的迎面风速相同,但要低于来流风速40%;正东、东北、正西、西北风向时,东、西两侧垂直轴风力机的迎面风速相差在35%～70%之间。

由此可见,在不同来流方向,低风速情况下会造成东、西两侧垂直轴风力机不能正常启动;而在高风速情况下,东、西两侧垂直轴风力机不能充分利用风力资源。

2.2 提升安装高度后风力机迎面风速

图4是垂直轴风力机安装高度升高后东、西两侧垂直轴风力机的迎面风速计算结果。图中可以看到,安装高度升高后,不同风速时,东、西两侧垂直轴风力机在正东、东北、正西、西南风向时迎风速度最大相差仅20%左右;在东南、西北、正南和风向时,东、西两侧垂直轴风力机迎面风速度与来流风速基本相同;正北风向时,东、西两侧垂直轴风力机的迎面风速均相等,但要小于来流风速10%左右。

由此可见,提高垂直轴风力机在屋顶上的安装高度可以充分利用各个方向来流的风能资源,改善垂直轴风力机运行状况。但考虑到垂直轴风力机在高速气流下的强度和振动问题,安装高度的提升必须适当。根据计算,建议在原来安装高度位置上将垂直轴风力机提升一张叶片高度为宜。

图4 东、西两侧垂直轴风力机安装高度升高后的迎面风速度

2.3 屋顶气流绕流流场对不同高度风力机运行的影响

限于篇幅,本文仅以东北方向来流为例,分析不同风速情况下气流流场对西侧垂直轴风力机迎面风速度场分布的计算结果。

图5可见,原安装高度时垂直轴风力机处于屋顶涡流区,迎面风速度平均低于1.2 m/s;安装高度升高后整个垂直轴风力机高度上迎面风速度超过2.2 m/s。

图6可见,原安装高度时垂直轴风力机处于屋顶低风速区,迎面风速度平均低于3.5 m/s;安装高度升高后整个垂直轴风力机高度上迎面风速度超过5m/s。

图5 风速2 m/s两台垂直轴风力机的绕流

图6 风速5m/s时两台垂直轴风力机的绕流

图7可见,原安装高度时垂直轴风力机处于屋顶低风速区,迎面风速度平均低于6 m/s;安装高度升高后整个垂直轴风力机高度上迎面风速度超过10 m/s。

图7 风速10m/s两台垂直轴风力机的绕流

图8专门给出了30m/s风速时的计算情况,可见原安装高度时垂直轴风力机处于屋顶低风速区,迎面风速度平均低于25m/s;安装高度升高后整个垂直轴风力机高度上迎面风速度超过30m/s。

图8 风速30 m/s两台垂直风力机的绕流

综上可见,在不同风向和风速情况下,建筑物物和建筑群的布局会对气流造成不同程度的干扰。因此,在城市里安装垂直轴风力机时有必要事先了解建筑物和建筑群对垂直轴风力机迎面风来流的影响。

3 结论

(1)计算表明,某科技馆的外墙立面,屋顶结构布局和周边建筑物在不同风向和风速情况下气流绕流对东、西两侧垂直轴风力机的迎面风速有着非常明显的影响。

(2)计算分析发现,在原安装度的情况下,东北方向来流,2 m/s风速时,西侧垂直轴风力机的迎面风速降低了25%,原因是当气流绕流建筑物时,屋顶西侧出现大涡流区,造成西侧垂直轴风力机迎面风速低于1.2 m/s,不能正常启动。在高风速情况下,绕流屋顶的气流出现严重的不均匀风速分布,西侧垂直轴风力机的迎面平均风速有40%以上的下降。这种现象在其他风向和来流风速情况下同样存在,只是影响程度不同。

(3)根据计算分析,并考虑了垂直轴风力机的强度和振动,将两台垂直轴风力机的原安装位置提升一张叶片的高度,可以充分利用各个风向的风能资源。工程实施证明,该措施有效。

由此可见,把CFD计算结果应用于垂直轴风力机的布置、规划和工程安装是可行的。同时,利用CFD计算的方法还可以对一些极限条件(如30 m/s以上的飓风等)下的风力机进行进行模拟分析,这是用试验方法无法实现的,在城市建筑物或建筑群中规划、布置和设计垂直轴风力机风能资源利用时非常有用应予以充分重视。

[1] 王福军.计算流体动力学分析.CFD软件原理与应用EM[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2] 杨伟,顾明.高层建筑三维定常风场数值模拟[M].同济大学学报(自然科学版),2003.