建筑物绕流风能利用——集流构筑物集流效应的模拟研究

王玉明，叶会华

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384）

大气经过高大建筑后，在建筑物迎风角处发生分离、背风面产生回流[1]，距离建筑物边缘一定距离内的局部气流被加速，从而形成了高能流密度、极具利用价值的浓缩风能.通过对建筑物绕流风能利用的研究可知[2-3]，建筑对风能的集结强化作用是有限的，速度增大系数在一定的范围内，且不够平稳，又难以控制.为了提高风能的品质，应该将此建筑的浓缩风能通过集流装置收集，并进一步浓缩，然后导入涡轮机，将风能转化成机械能.

随着湍流工程技术研究的深入，商业分析软件不断发展与完善，因此可以应用CFD软件对浓缩风能装置进行流场仿真分析和结构优化[4-6].笔者主要研究一种集流构筑物，采用数值模拟方法分析其风速场、风能密度场，对比分析几种不同几何形状的集流构筑物的风能集流效果，以得到最优的集流构筑物型式.

1 集流构筑物的物理数学模型

1.1 集流构筑物的物理模型

集流构筑物的作用是将绕流后的浓缩风能收集和优化，要求在损失最小的条件下将进入引导流道的气流加速浓缩，并平稳、顺利地引导进入涡轮电机，将浓缩风能转化为机械能.根据不同型风道对风能利用的研究[7-8]，确定集流构筑物形状，见图1.集流构筑物通道进口为矩形，通道一段渐缩进一步加强风速，通过一段圆形立管使风能逐渐平稳，直到通道出口，其中圆形立管段为风能利用段.A、B、C分别代表三种典型形状的面：A为内凹的曲面；B为平面；C为外凸的曲面.三种形状的曲面均可由x-z平面上的二次曲线方程表示

方程（1）随系数的不同可以表示为直线、圆、椭圆、抛物线、双曲线等.沿y轴正向平移形成图1a中面3和面4，通过改变3、4两个面，获得不同型的集流构筑物.

图1 集流构筑物模型示意

通过改变集流构筑物面3和面4，获得6种基本型式进行数值模拟分析，这6种集流构筑物剖面如图2所示.

图2 集流构筑物6种基本型式

1.2 集流构筑物流场的数学模型

1.2.1 假设条件

流道内空气实际流动过程的影响因素较多，且比较复杂,但很多因素对实际模拟结果的影响较小，可以忽略不计，因此对实际物理模型做几点简化假设：①物性参数恒定、气流为不可压缩牛顿流体；②流道内部气流流动为稳态湍流流动；③忽略重力的影响；④忽略流道的渗风作用.

1.2.2 控制方程

根据集流构筑物的实际情况，采用标准κ-ε模型,根据假设条件，流道内的流体流动可用下述方程描述：

连续性方程可简化为

动量守恒方程为

标准κ-ε模型的双方程[9]为

式中：μ 为动力黏度；μt为湍流黏度

1.3 边界条件的设定

边界条件是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件，不能随意给定，它要求在数学上满足适定性要求.

（1）入口边界：入口边界采用速度入口，且入口处的风速只有x正向风量，来流风速剖面采用指数率形式，其表达式为

式中：uz为高度z处的风速，m/s；ub为高度b处的平均风速，又称来流风速；b为标准地面粗糙度类别下的标准参考高度，常取值为10 m，对应10 m高度的速度为3 m/s；α为地面粗糙度，取α=0.22.入口边界采用UDF接口输入Fluent中.

（2）出口边界：出口处的流动符合完全发展条件，故采用自由出流边界条件，流场中除了压力之外的所有流动变量的正法向梯度为零.

（3）计算域顶部及两侧边界：流域两侧及顶部离模型壁面较远，设为对称边界条件.

（4）建筑物、集流构筑物各壁面及地面：采用无滑移固壁边界条件.

2 计算域模型

根据单体建筑物绕流流场的特点，将集流构筑物与建筑物结合，集流构筑物结构本体及与建筑物结合体的计算域如图3所示，建筑模型尺寸为X×Y×Z=10 m×20 m×10 m.

图3 集流构筑物与建筑物结合计算域示意

3 模拟结果与讨论

3.1 集流构筑物内气流组织特性分析

气流经建筑物绕流后，湍流强度增大，气流组织变得很不稳定，不利于风能利用.屋顶加设集流构筑物后，绕流空气进入集流构筑物，并在其收缩段得到整流和浓缩，到达立管段后，风速和风能密度逐渐变得均匀稳定，同时湍流强度降低，达到了风能利用要求.6种集流构筑物通道入口和出口（风能利用段）的平均风速如图4所示.

图4 集流构筑物入口、出口平均风速

根据风能密度的计算公式

式中：w、ρ、u分别为风能密度、空气密度和来流风速.

6种集流构筑物通道出口附近段（风能利用段）的平均风能密度w如图5所示.

图5 集流构筑物风能利用段平均风能密度

图4-5表明，6种相同进、出口通道的集流构筑物，当迎风面的形状由凹变直，再由直变凸时，经集流浓缩后的风速和风能能流密度都不断增大，且整个边界为流线型时，更有利于风速、风能的加强和优化，即G型集流构筑物为最佳型集流构筑物基本结构.

表1为集流构筑物与建筑物结合后，建筑绕流在集流构筑物各断面的平均风速、风能能流密度最大值及湍流强度.

表1 集流构筑物不同断面的风场特性

表1表明，6种集流构筑物流道内的平均流速和能流密度变化规律基本一致，气流进入集流构筑物流道后，风速及湍流强度沿流道方向逐渐增加，在等截面段风速变化很小.

3.2 建筑物与集流构筑物周围流场

建筑物与集流构筑物结合对流场产生更大影响.以E型集流构筑物为例，周围绕流流场特性如图6-7所示.

建筑物与集流构筑物结合（流道的尺寸和位置要根据具体建筑绕流浓缩风能特性来考虑，要注意能收集到建筑物绕流加速后的浓缩风能），绕流效应叠加，气流进入集流构筑物逐渐变得平稳易控，气流到达立管利用段达到最大速度和最大风能密度，而且流道湍流强度逐渐降低，为实现将低品位风能变成高品位流体能提供了必要条件.

图6 中央截面（Y=25 m）速度云图和速度矢量图

图7 中央截面（Y=25 m）湍流强度云图

4 结论

（1）设计集流构筑物时，迎风断面应该设计成凸面，整个边界为流线形，这样能取得最大能流密度.

（2）集流构筑物与建筑物结合，可以将绕流气流集聚，并使气流的风速、风能密度增大，湍流强度降低，从而使气流变得平稳易控，为实现将低品位风能变成高品位流体能提供了必要条件；通过对既有建筑和规划设计建筑的改造和设计，使风能达到利用指标，实际应用时，可以在来流主导方向辅以类似的集流构筑物，对绕流浓缩风能加以利用.

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