徐超,王振亞,孫峰,李慧杰

(1.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海201804;2.上海屹安風(fēng)能設(shè)備有限公司,上海200031)

某科技館屋頂離地面22.45 m處,東西兩側(cè)安裝兩臺垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),在試運(yùn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)速為2～4 m/s,風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)時(shí),東側(cè)的垂直軸風(fēng)力機(jī)能夠正常運(yùn)行,而西側(cè)的垂直軸風(fēng)力機(jī)基本不能運(yùn)行。為了分析造成這種情況的原因以便采取有效措施進(jìn)行改進(jìn),本文應(yīng)用CFD[1]方法,對氣流進(jìn)行了模擬。模擬工作沿科技館8個(gè)方向來流,每個(gè)方向來流取三個(gè)不同風(fēng)速(2m/s,5 m/s,10m/s),然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析屋頂氣流流動情況。

1 計(jì)算模型和網(wǎng)格處理

用UG軟件建立科技館屋頂和垂直軸風(fēng)力機(jī)的三維模型,如圖1。計(jì)算采用的湍流模型為RNG kepsilon,壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),并把進(jìn)口設(shè)為速度邊界條件,出口設(shè)為壓力邊界條件。計(jì)算域內(nèi)的流場用Hyper M esh軟件生成面網(wǎng)格,用T-grid軟件生成非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)約為350萬(如圖2)。采用雷諾時(shí)均的N-S方程做定常計(jì)算,湍流動能、湍流耗散項(xiàng)、動量方程都采用一階迎風(fēng)格式離散,MRF隱式分離、SIM PLE壓力速度耦合[2]。

2 計(jì)算結(jié)果和分析

2.1 原安裝高度的風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速

圖3為不同風(fēng)向、風(fēng)速時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)原安裝高度迎面風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果。圖中列出了每一風(fēng)向有3組數(shù)據(jù),自左向右分別為三種來流風(fēng)速時(shí)的東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速計(jì)算結(jié)果。

圖1 科技館和周邊建筑的幾何模型

圖2 科技館和周邊建筑計(jì)算網(wǎng)格

根據(jù)圖3風(fēng)速為2 m/s時(shí)的計(jì)算結(jié)果可見:(1)東北風(fēng)向來流時(shí),東側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速為2m/s,而西側(cè)風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速低于1.2 m/s,無法正常啟動;(2)西北風(fēng)向來流時(shí),西側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速為2m/s,而東側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速低于1 m/s,也會無法正常啟動;(3)正北風(fēng)向時(shí),東、西兩側(cè)風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速約為1.5 m/s,基本可以啟動;(4)正南、西南和東南風(fēng)向來流時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速為2 m/s,可以正常啟動。

圖3 東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝高度升高前的迎面風(fēng)速度

分析圖3中不同風(fēng)向,風(fēng)速為10 m/s時(shí)的計(jì)算結(jié)果可見:西南、正南風(fēng)向時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速均在10m/s左右;正北風(fēng)向時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速相同,但要低于來流風(fēng)速40%;正東、東北、正西、西北風(fēng)向時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速相差在35%～70%之間。

由此可見,在不同來流方向,低風(fēng)速情況下會造成東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)不能正常啟動;而在高風(fēng)速情況下,東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)不能充分利用風(fēng)力資源。

2.2 提升安裝高度后風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速

圖4是垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝高度升高后東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速計(jì)算結(jié)果。圖中可以看到,安裝高度升高后,不同風(fēng)速時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)在正東、東北、正西、西南風(fēng)向時(shí)迎風(fēng)速度最大相差僅20%左右;在東南、西北、正南和風(fēng)向時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速度與來流風(fēng)速基本相同;正北風(fēng)向時(shí),東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速均相等,但要小于來流風(fēng)速10%左右。

由此可見,提高垂直軸風(fēng)力機(jī)在屋頂上的安裝高度可以充分利用各個(gè)方向來流的風(fēng)能資源,改善垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀況。但考慮到垂直軸風(fēng)力機(jī)在高速氣流下的強(qiáng)度和振動問題,安裝高度的提升必須適當(dāng)。根據(jù)計(jì)算,建議在原來安裝高度位置上將垂直軸風(fēng)力機(jī)提升一張葉片高度為宜。

圖4 東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝高度升高后的迎面風(fēng)速度

2.3 屋頂氣流繞流流場對不同高度風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的影響

限于篇幅,本文僅以東北方向來流為例,分析不同風(fēng)速情況下氣流流場對西側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速度場分布的計(jì)算結(jié)果。

圖5可見,原安裝高度時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)處于屋頂渦流區(qū),迎面風(fēng)速度平均低于1.2 m/s;安裝高度升高后整個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)高度上迎面風(fēng)速度超過2.2 m/s。

圖6可見,原安裝高度時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)處于屋頂?shù)惋L(fēng)速區(qū),迎面風(fēng)速度平均低于3.5 m/s;安裝高度升高后整個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)高度上迎面風(fēng)速度超過5m/s。

圖5 風(fēng)速2 m/s兩臺垂直軸風(fēng)力機(jī)的繞流

圖6 風(fēng)速5m/s時(shí)兩臺垂直軸風(fēng)力機(jī)的繞流

圖7可見,原安裝高度時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)處于屋頂?shù)惋L(fēng)速區(qū),迎面風(fēng)速度平均低于6 m/s;安裝高度升高后整個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)高度上迎面風(fēng)速度超過10 m/s。

圖7 風(fēng)速10m/s兩臺垂直軸風(fēng)力機(jī)的繞流

圖8專門給出了30m/s風(fēng)速時(shí)的計(jì)算情況,可見原安裝高度時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)處于屋頂?shù)惋L(fēng)速區(qū),迎面風(fēng)速度平均低于25m/s;安裝高度升高后整個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)高度上迎面風(fēng)速度超過30m/s。

圖8 風(fēng)速30 m/s兩臺垂直風(fēng)力機(jī)的繞流

綜上可見,在不同風(fēng)向和風(fēng)速情況下,建筑物物和建筑群的布局會對氣流造成不同程度的干擾。因此,在城市里安裝垂直軸風(fēng)力機(jī)時(shí)有必要事先了解建筑物和建筑群對垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)來流的影響。

3 結(jié)論

(1)計(jì)算表明,某科技館的外墻立面,屋頂結(jié)構(gòu)布局和周邊建筑物在不同風(fēng)向和風(fēng)速情況下氣流繞流對東、西兩側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速有著非常明顯的影響。

(2)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),在原安裝度的情況下,東北方向來流,2 m/s風(fēng)速時(shí),西側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面風(fēng)速降低了25%,原因是當(dāng)氣流繞流建筑物時(shí),屋頂西側(cè)出現(xiàn)大渦流區(qū),造成西側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)迎面風(fēng)速低于1.2 m/s,不能正常啟動。在高風(fēng)速情況下,繞流屋頂?shù)臍饬鞒霈F(xiàn)嚴(yán)重的不均勻風(fēng)速分布,西側(cè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎面平均風(fēng)速有40%以上的下降。這種現(xiàn)象在其他風(fēng)向和來流風(fēng)速情況下同樣存在,只是影響程度不同。

(3)根據(jù)計(jì)算分析,并考慮了垂直軸風(fēng)力機(jī)的強(qiáng)度和振動,將兩臺垂直軸風(fēng)力機(jī)的原安裝位置提升一張葉片的高度,可以充分利用各個(gè)風(fēng)向的風(fēng)能資源。工程實(shí)施證明,該措施有效。

由此可見,把CFD計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力機(jī)的布置、規(guī)劃和工程安裝是可行的。同時(shí),利用CFD計(jì)算的方法還可以對一些極限條件(如30 m/s以上的颶風(fēng)等)下的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行進(jìn)行模擬分析,這是用試驗(yàn)方法無法實(shí)現(xiàn)的,在城市建筑物或建筑群中規(guī)劃、布置和設(shè)計(jì)垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能資源利用時(shí)非常有用應(yīng)予以充分重視。

[1] 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析.CFD軟件原理與應(yīng)用EM[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 楊偉,顧明.高層建筑三維定常風(fēng)場數(shù)值模擬[M].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003.