风向对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

2018-06-27朱海天郝文星丁勤卫

动力工程学报 2018年6期

朱海天，郝文星，李春，丁勤卫，余万

(上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093)

目前，环境污染与能源紧缺问题日益严峻，风能是一种安全且无污染的可再生能源[1]，其开发利用受到世界各国的广泛关注。随着风能利用技术的快速发展，风电迅速发展成为世界电能产业愈发重要的组成部分[2-3]。风力机是一种将风的动能转化为电能的旋转机械。目前，风力机组主要安装于远离城市负荷中心的风资源集中区域，由于当地电网接纳能力、跨区输电能力以及应对风速随机性和间歇性能力的不足，弃电限电现象较为严重[4]。2014年，中国平均风电弃风率约为8%，2015年则高达18.6%[5]。

为减缓弃电限电现象的发生，Keirstead等[6]指出，近年来各种与建筑物结合的部分风力机被应用于城市中，包括适用于多场合的微型风力机、安装于楼顶的风力机以及垂直轴阻力型风力机等，这种风能利用形式避免了输、送电能问题，产生的电能可直接用于建筑本身，为解决城市能源紧缺问题和弃电限电问题提供了技术支持。因此，充分利用建筑环境中的风能为风电发展提供了一种新思路。较之郊区和偏远地区，城市来流风具有平均风速低和湍流度大等特点，由于建筑物的影响，也存在局部大风区域[7]。

风力机与建筑物结合的形式基本可分为3类：安装于建筑顶部的风力机、安装于建筑物中央的风力机及建筑增强型风力机(BAWT)[8]。1930年， Honnef首先提出了建筑增强型风力机概念设计。建筑增强型风力机将风力机与建筑相结合，利用建筑对风能的强化和集结作用，从而提高发电效率[9]。2008年底，巴林世界贸易中心完工[10]，在双子塔建筑之间加装了3个直径为29 m的建筑增强型水平轴风力机，这是世界上第一座大型结合风力涡轮的建筑。Li等[11]对珠江大厦空洞中安装垂直轴风力机(VAWT)的效益进行实验评估，结果表明喇叭口型洞口将增强风速，受风向和周围建筑物的影响较为明显。Heo等[12]对建筑增强型水平轴风力机进行了数值计算，结果表明建筑扩散体可大幅提升发电效率，但该种BAWT受风多向性差，当偏航角小于30°时才具有较高的电能输出。

上述研究一部分利用大气边界层风剪切效应，充分利用高层建筑的高度优势捕获更多的风能，另一部分利用建筑周围的局部大风。其中风剪切是指风速随高度变化[13]，主要受地面粗糙度和科利奥效应影响。笔者提出一种风力机新型安装方式与安装位置，将VAWT悬挂固定于建筑扩散体间的悬臂梁下端，利用上述2种优势对建筑环境中VAWT进行研究。

直线翼垂直轴风力机(SB-VAWT)是最具代表性[14]的垂直轴风力机之一。SB-VAWT在旋转时具有极复杂的气动特征[15-16]：一方面，攻角周期性大幅变化导致SB-VAWT气动载荷波动较大且直叶片周围流场结构非常复杂；另一方面，单制动桨盘假设已不适用于SB-VAWT，应采用双制动桨盘假设，因此下游尾迹区易受到上风区脱落涡轨迹的影响，而且叶片尾迹、主轴尾迹与及叶片支撑杆尾迹之间也发生相互作用，从而加剧流动的复杂性。因此，研究建筑扩散体间SB-VAWT的气动性能十分必要。

笔者采用计算流体力学(CFD)方法对原始SB-VAWT进行数值研究，并与实验值进行对比，验证了该网格拓扑结构及Realizablek-ε湍流模型的适用性。以上海风资源特点作为研究条件，研究风向对建筑增强型直线翼垂直轴风力机(BASB-VAWT)性能与流场结构的影响，得到其气动特性，以期为不同城市中采用BASB-VAWT提供依据。

1 气动理论

1.1 建筑环境中风能利用特点

圆形截面建筑扩散体周围风场CFD模拟结果如图1所示。由于“夹道效应”，2座建筑物间的风速增大，形成局部强化风[13]。

图1 圆柱体建筑物之间的夹道效应

1.2 风剪切

风剪切效应是指风速随海拔高度增加而增大，要利用高层建筑的高度优势就必须考虑城市中的风剪切效应，笔者采用以下指数模型：

V/V0=(H/H0)β

(1)

式中：H为地面高度；H0为地面参考高度；V为H处的风速；V0为H0处某参考点的风速；β为切变系数，该系数与大气稳定度和地面粗糙度有关，其值如表1所示[17]。

表1 中国地面粗糙度类别与对应的β值

采用地面粗糙度类别为D的经验指数模型来描述上海市市区平均风速沿高度的变化规律。上海市年平均风速为3.65 m/s，根据风剪切效应可知，200 m高空处的城市来流风速为9 m/s。

1.3 主要气动参数

在SB-VAWT中赤道平面攻角α随相位角的周期性变化关系如下：

(2)

式中：θ为相位角；λ为叶尖速比。

叶尖速比定义为叶尖切向速度与来流风速的比值：

(3)

式中：ω为角速度；V∞为来流风速；R为旋转半径。

力矩系数Cm与风能利用系数Cp均是衡量VAWT性能的重要指标。

(4)

式中：T为转矩；P为风力机功率；ρ为空气密度；A为扫风面积。

实度σ作为描述SB-VAWT几何形状的重要无因次参数，其表达式[1]如下：

σ=Nc/(2R)

(5)

式中：N为叶片数；c为翼型弦长。

2 计算模型

2.1 几何模型

采用对低雷诺数工况有较高风能利用系数的NACA0021对称翼型[18]，其弦长c为85.8 mm，最大厚度为0.21c，最大厚度位置在0.3c处，翼型几何模型见图2。

图2 翼型几何模型

为与实验值进行比较，采用的几何模型参数均与文献[19]相同。SB-VAWT几何参数见表2。

巴林世界贸易中心的建筑增强型水平轴风力机实图与本文BASB-VAWT几何模型的对比如图3所示。其中建筑增强型水平轴风力机放置于悬臂梁前端，而BASB-VAWT垂直悬挂于悬臂梁下端。

2.2 计算域结构及网格分布

SB-VAWT与翼型周围计算域结构及网格分布如图4所示。SB-VAWT远场计算域结构由半圆形上游区与矩形下游尾迹区组成，如图4(a)中上游区特征长度为50R，下游尾迹区特征长度为30R。SB-VAWT近场计算域结构由Z1和Z22个网格域构成，Z1为静止结构网格域，Z2为滑移非结构网格域。翼型周围计算域结构也由半圆形上游区与矩形下游尾迹区组成，如图4(b)与图4(c)所示。上游区特征长度为0.5R，下游尾迹区特征长度为0.3R，翼型周围网格域共分为6个域,如图4(d)所示。域1和域6分别为翼型前缘域和翼型后缘域。定义SB-VAWT计算域中的半圆和矩形上下边界ad与bc速度入口边界条件，来流风速为9 m/s，矩形右边界cd为压力出口条件。

表2 SB-VAWT几何参数

(a) 巴林世界贸易中心

(b) BASB-VAWT实体图

(d) BASB-VAWT俯视图

(a) 远场拓扑结构示意图(b) 二维简化图

(e) 近场计算域网格分布(f) 翼型周围网格分布

图4 计算域结构及网格分布

Fig.4 Calculation region and mesh distribution of the airfoil

SB-VAWT远场计算域结构网格分布如图4(c)所示，Z1和Z2近场计算域混合网格分布如图4(e)所示。翼型表面布置250个网格节点，并对翼型周围进行加密处理，由翼型表面到远场边界方向布置70个节点，如图4(f)所示。总网格数为421 092。

采用Realizablek-ε湍流模型，在模拟旋转流动方面该湍流模型优于Standardk-ε湍流模型，也能较精确地捕捉到流动分离点[20]。y+值接近30～100才能使壁面函数较好地捕捉到边界层的流动[21]。故本文网格模型选取的y+在30～50内。

2.3 网格无关性验证

BASB-VAWT网格无关性验证结果见表3。以大网格数约66万计算结果为基准，结果表明：在约42万总网格数时的计算值与约66万总网格数时的计算值偏差较小，故本网格模型是可信的。因此，选取约为42万网格数的模型作为最终计算模型。

表3 网格无关性验证结果

2.4 实验验证

原始SB-VAWT二维风能利用系数Cp计算值与实验值[19]的对比如图5所示。由图5可知，在低叶尖速比时，风能利用系数计算值与实验值的差值略大，其主要原因有：(1) 文献[19]中的实验值未考虑风洞阻塞效应且未排除转轴与力矩传感器间的摩擦阻力力矩；(2) 笔者仅考虑二维SB-VAWT，即设为无限长叶片，然而Li等[22]指出，二维SB-VAWT计算值相比三维SB-VAWT计算值与实验值具有较大差值，这是由于二维SB-VAWT叶片未考虑沿展向叶素表面压差逐渐降低的因素；(3) 二维SB-VAWT未考虑叶片支撑杆对SB-VAWT的影响。

图5 二维风能利用系数计算值与实验值的对比图

结合上述3种降低风能利用系数的实际因素，故本文二维CFD计算值与实验值存在误差，但本文CFD计算值仍可捕捉到最大风能利用系数对应的最佳叶尖速比，其值为2.62。因此，二维CFD计算值仍可定性且定量地反映风向对不同BASB-VAWT的影响。

2.5 风玫瑰图

以上海市近3年天气报告作为风向研究条件，如图6所示共8个风向，包括北风(N)、东北风(NE)、东风(E)、东南风(SE)、南风(S)、西南风(SW)、西风(W)及西北风(NW)。其中，纵轴代表出现此风向的频率。

(a) 2014年

(b) 2015年

由图6可知，上海市东南风、东风及东北风工况频数较多，近3年平均风速为3.65 m/s。

2.6 建筑扩散体型

将建筑扩散体截面分为4种：正圆形、椭圆形、矩形及菱形。几何模型如图7所示，由于4种建筑扩散体均为中心点对称模型，故仅需研究3种不同风向下的工况：与建筑扩散体对称轴平行的风向、与建筑扩散体对称轴之间角度呈45°的风向以及与建筑扩散体对称轴垂直的风向，因而工作量大大降低。因需要引入气象资料，故将这3种风向分别称为西风、西北风及北风，如图7所示的方向位置。

正圆形扩散体SB-VAWT周围局部流场网格分布如图8所示。其他BASB-VAWT的周围流场网格分布不再赘述。

(a) 正圆形扩散体(b) 椭圆形扩散体

图7 4种建筑扩散体

Fig.7 Four models of the building diffuser

图8 正圆形扩散体BASB-VAWT网格分布局部放大图

3 结果与分析

3.1 BASB-VAWT周围流场分析

图9和图10为各风向下建筑扩散体的压力云图、流线图和BASB-VAWT速度云图，其中来流风速为9 m/s。

由图9可知，建筑前后压差造成局部大风区域，建筑外廓使一部分流体集聚于两建筑之间。在西北风工况下，矩形扩散体间建筑产生的大流动分离发展至大部分流道中，而其他截面扩散体间建筑产生的涡流并没有大幅发展至流道中。在北风工况下，流场结构极为复杂，建筑背风面存在大分离涡。

根据最佳捕获风能的位置安装BASB-VAWT。在西风工况下，建筑扩散体间的风速明显大于入口风速，风力机可捕获更多的风能。在西北风工况下，由于建筑扩散体产生的流动分离部分发展至风力机旋转区域内，对风力机产生一定影响。在北风工况下，由于建筑扩散体间的风速较低，且建筑背风面存在大分离涡，风力机将承受更剧烈的载荷波动。

西风西北风

北风

西风西北风

北风

西风西北风

北风

西风西北风

北风

3.2 BASB-VAWT气动性能分析

考虑BASB-VAWT在不同建筑扩散体下不同风向工况时的性能，对西风、西北风及北风工况时BASB-VAWT一个旋转周期内的周围流场进行数值模拟，其λ为2.62。BASB-VAWT风能利用系数计算结果如图11所示。

由图11可知，在西风工况下，正圆形BASB-VAWT风能利用系数较高，其值为0.783 30，风能利用系数提升至原始SB-VAWT的2.47倍；椭圆形BASB-VAWT风能利用系数较低，为0.678 73；在西北风工况下，正圆形BASB-VAWT风能利用系数较高，其值为0.389 20；菱形BASB-VAWT风能利用系数较低，为0.286 96；在北风工况下，由于建筑扩散体之间风速过低，风力机效率极低。

为进一步得到风向对BASB-VAWT年风能利用系数的影响，结合上海市近3年风玫瑰图，通过加权平均得出BASB-VAWT年风能利用系数，如图12所示。其中，在北风工况下，4种BASB-VAWT年风能利用系数均较低，且叶片周围流场极为复杂，故年风能利用系数并未考虑北风工况。同理，在西北风工况下，矩形扩散体自身的强涡流直接影响风力机的叶片，故在研究年风能利用系数中并未考虑此工况。

由图12可知，在上海市市区，正圆形BASB-VAWT具有较高的年风能利用系数，近3年其均值为0.385 92；而矩形BASB-VAWT年风能利用系数较低，近3年其均值为0.140 48。

为进一步研究BASB-VAWT在西风及西北风工况下的载荷波动，对4种BASB-VAWT进行了对比分析，由于北风工况下的流场结构复杂，故对其力矩系数进行研究无意义。BASB-VAWT力矩系数与相位角θ的关系见图13。

西风西北风

北风

西风西北风

北风

西风西北风

北风

西风西北风

北风

图11 BASB-VAWT风能利用系数

由图13可知，在西风工况下，BASB-VAWT将承受比原始SB-VAWT更大幅的载荷波动。在西北风工况下，矩形BASB-VAWT的载荷波动较原始SB-VAWT与其他扩散体BASB-VAWT的载荷波动更为剧烈，正圆形、椭圆形BASB-VAWT与原始SB-VAWT曲线相近。而菱形BASB-VAWT的性能较差，这是由于在菱形扩散体间形成局部大风区域较为滞后。

图12 BASB-VAWT年风能利用系数

4 结论

(1) BASB-VAWT气动性能对风向敏感，在西风工况下，其性能大幅提升；在西北风工况下，性能稍高于原始SB-VAWT；在北风工况下，流场结构非常复杂且建筑产生的脱落涡发展至风力机旋转半径内，其性能远低于原始SB-VAWT。

(a) 西风工况下

(b) 西北风工况下

(2) BASB-VAWT气动性能对建筑扩散体排布及建筑平面外廓敏感，较之椭圆形和正圆形建筑，矩形建筑的风力机性能较劣，而正圆形建筑优于长半轴平行于风向的椭圆形建筑。

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