袁偉斌，王 昭，李澤彬

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

高層擴散體建筑風(fēng)能集聚效應(yīng)研究

袁偉斌，王 昭，李澤彬

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

為研究截面為方形的高層擴散體建筑的風(fēng)能集聚效應(yīng)，采用風(fēng)洞試驗和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以平均風(fēng)速、風(fēng)速增大系數(shù)和湍流強度作為評價指標(biāo)，選取建筑間距、風(fēng)向角和建筑高差等作為控制變量，通過比較分析獲得不同情況下高層擴散體建筑風(fēng)能集聚效應(yīng)的最佳位置.結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)慕ㄖg距對集聚效應(yīng)具有加強作用，而后隨間距增大集聚效應(yīng)減弱，迎風(fēng)面寬度相比風(fēng)通道長度對風(fēng)能集聚效應(yīng)影響更大，且在建筑全高的1/2～5/6范圍內(nèi)風(fēng)能集聚效應(yīng)明顯，其中在3/4處達(dá)最佳.然而，隨著建筑高差的增大，風(fēng)能集聚效應(yīng)逐漸減弱，其中風(fēng)速最大位于相對較低側(cè)建筑全高的5/6處.

高層擴散體建筑；風(fēng)洞試驗；CFD數(shù)值模擬；風(fēng)能集聚效應(yīng)

風(fēng)能作為一種可再生綠色能源有著非常巨大的環(huán)保和經(jīng)濟價值.傳統(tǒng)的風(fēng)能利用方式主要是先在曠野、沙漠以及近海等區(qū)域安裝風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生電能，再通過電力輸運系統(tǒng)進行輸送，成本較高且輸送的過程中電力損耗很大.城市高層建筑的出現(xiàn)為城市中風(fēng)能利用提供了良好的條件，當(dāng)氣流流過建筑物的頂部、兩棟建筑物之間的通道以及建筑周邊時都會使局部風(fēng)速增大[1].鑒于此，通過合理利用高層建筑布局、建筑體型和風(fēng)向角等在合適的位置安裝風(fēng)力發(fā)電機從而達(dá)到風(fēng)能利用的目的，產(chǎn)生的風(fēng)能可以直接作用于建筑，有效地緩解了城市能源短缺問題，同時城市高層建筑與風(fēng)能利用一體化的設(shè)計可以作為城市標(biāo)志性的綠色建筑.矩形截面高層建筑因其靈活的結(jié)構(gòu)布置和施工便利性，在工程設(shè)計中應(yīng)用最為普遍，國內(nèi)外已有眾多學(xué)者通過風(fēng)洞試驗和CFD數(shù)值模擬的方法對方形截面建筑周圍風(fēng)環(huán)境進行研究[2-6].尤其是數(shù)值模擬方法，由于計算機科學(xué)與技術(shù)的進步和發(fā)展，使得數(shù)值模擬成為除風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測之外進行風(fēng)機與建筑空氣動力學(xué)研究的主要方法[7-8].陳水福和孫炳楠[9]運用數(shù)值模擬對建筑物在三維風(fēng)場下的風(fēng)荷載特性進行了研究，通過與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比分析，驗證了數(shù)值模擬的有效可行.在此基礎(chǔ)上，部分研究發(fā)現(xiàn)城市建筑中兩高層建筑之間形成的峽谷效應(yīng)能夠明顯增大風(fēng)速，并實現(xiàn)風(fēng)能的利用[10-11].但方形截面的高層建筑之間的風(fēng)能利用研究尚缺乏量化分析數(shù)據(jù)，這為建筑與風(fēng)能利用的一體化設(shè)計帶來極大困難.

針對工程中較為常見的方形擴散體建筑，筆者采用風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對高層擴散體建筑風(fēng)能集聚效應(yīng)進行研究.其中，風(fēng)洞試驗按照我國荷載規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對B類地貌粗糙度下的風(fēng)速剖面進行，試驗中分別考慮了不同的建筑間距和風(fēng)向角的情況，對比分析了在不同工況下擴散體通道內(nèi)各測點處的風(fēng)特性.而數(shù)值模擬則采用全尺寸建筑模型和Realizablek—ε湍流模型，利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分析了建筑迎風(fēng)面寬度、通道長度以及相鄰建筑有高差存在的情況下風(fēng)能集聚的效應(yīng)，通過對風(fēng)速值、風(fēng)速增大系數(shù)以及湍流強度的分析比較，得出了不同情況下高層擴散體建筑風(fēng)能集聚效應(yīng)最佳的位置，為綠色建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供參考.

1 風(fēng)洞試驗

1.1 工程背景

常見的建筑風(fēng)能利用形式主要是在建筑頂部、建筑內(nèi)部開孔以及建筑通道等特定位置安裝風(fēng)力發(fā)電機組，如圖1所示.由于建筑與風(fēng)能利用一體化處在初期階段，世界范圍內(nèi)僅有幾座建筑實現(xiàn)建筑與風(fēng)能利用一體，其中最典型的是巴林世貿(mào)中心，在平面為橢圓形的雙塔之間沿豎直方向設(shè)置了3座跨梁，每座梁上安置了一個直徑達(dá)29 m的水平軸風(fēng)力發(fā)電渦輪機.而在國內(nèi)第一個風(fēng)能利用建筑是高303 m的珠江大廈，其立面設(shè)置4個通道布置垂直風(fēng)力渦輪機，滿足建筑的部分電力供應(yīng).

圖1 建筑環(huán)境中風(fēng)力發(fā)電機常見位置分布Fig.1 Arrangements of wind turbine in buildings environment

1.2 試驗裝置

風(fēng)洞試驗主要對圖1(c)所示擴散體建筑形式在B類地貌粗糙度條件下的風(fēng)能集聚效應(yīng)進行研究，并且以建筑間距和風(fēng)向角作為控制變量.試驗在浙江大學(xué)ZD-1單回流式邊界層風(fēng)洞中進行，其試驗段尺寸為長×寬×高=18 m×4 m×3 m，最高風(fēng)速達(dá)55 m/s，對B類地貌和邊界層采用自主研發(fā)的多功能尖劈格柵裝置以及大小兩種不同的粗糙源進行模擬，并通過眼睛蛇三維脈動風(fēng)速儀獲得風(fēng)速數(shù)據(jù)，如圖2(a)所示.

圖2 風(fēng)洞試驗裝置與風(fēng)速測點布置Fig.2 Wind tunnel equipment and the measuring points

1.3 模型參數(shù)與風(fēng)向角設(shè)置

方形擴散體建筑試驗?zāi)Ｐ统叽鐬長×B×H=100 mm×100 mm×600 mm，縮尺比為1∶300，阻塞比小于3%.高層擴散體建筑間距D分別設(shè)置為4.3，6.3，8.3，10.3 cm，分別以D1，D2，D3，D4表示，對應(yīng)實物建筑間距分別為13，19，25，31 m，其中13 m為高層建筑最小防火間距.考慮到90°風(fēng)向角下的風(fēng)速較小，進行風(fēng)洞試驗所獲得湍流強度過大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，所以風(fēng)洞試驗中僅對0°～75°范圍每隔15°設(shè)置一個工況，共計6個工況.由于城市高層建筑周圍建筑群的影響，建筑靠近地面處湍流強度很大而風(fēng)向雜亂無章，因此筆者從建筑全高的1/2以上部分設(shè)置測點，風(fēng)速測點位置如圖2(b)所示，風(fēng)向角設(shè)置如圖3(a)所示.

圖3 風(fēng)向角α與風(fēng)剖面Fig.3 Arrangement of wind angle and profile of wind

1.4 風(fēng)剖面特性

在風(fēng)洞實驗中，通過對風(fēng)洞中的來流風(fēng)口模擬裝置的調(diào)整以及實驗室中地面上粗糙間距的改變達(dá)到對風(fēng)速剖面模擬的目的.考慮到建筑物周圍的地形和地貌特點，采用B類地貌粗糙度指數(shù)0.15，按指數(shù)率確定在邊界層厚度內(nèi)不同高度處的風(fēng)速.在試驗段參考點為600 mm高度處，測得參考風(fēng)速V60=12.4 m/s，湍流強度I60=0.10.圖3(b)為實測風(fēng)洞不同高度處的風(fēng)剖面，并與理論曲線進行了對比，剖面風(fēng)速VZ與湍流強度IZ實測值與理論值吻合較好.

2 數(shù)值模擬

2.1 模型尺寸與工況設(shè)置

數(shù)值模擬采用全尺寸建筑模型和Realizablek-ε湍流模型，在上述風(fēng)洞試驗的基礎(chǔ)上，主要針對不同的建筑迎風(fēng)面寬度B、通道長度L和相鄰建筑高差Δh條件下風(fēng)能集聚的效應(yīng)進行研究.建立的全尺寸數(shù)值模型為M1～M7，具體參數(shù)如表1所示.0°～90°每隔15°設(shè)一個工況并記錄一次數(shù)據(jù)，風(fēng)向角設(shè)置依次為工況1～7，數(shù)值模擬統(tǒng)一取建筑間距為D=19 m.

表1 數(shù)值模型幾何尺寸

2.2 建模與網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬的外流場計算域尺寸為長×寬×高=30d×12d×5h，其中d為建筑物特征長度，h為建筑物高度，坐標(biāo)原點位于建筑模型通道中心處，建筑物中心點距流場入口邊界為10d，距出口邊界為20d，距側(cè)面邊界距均為6d.數(shù)值模型采用ANSYS軟件的Workbench建模，使用ICEM模塊進行網(wǎng)格劃分，且全部采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為更好捕捉模型周圍流動特性并提高數(shù)值模擬計算的精確度，對建筑模型周圍建立圓柱體加密網(wǎng)格區(qū)，對近壁面網(wǎng)格則采用三層棱柱體網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸分布由內(nèi)到外逐漸增大，擴散體建筑模型周圍網(wǎng)格及壁面棱柱體網(wǎng)格如圖4所示.數(shù)值模型網(wǎng)格劃分后對加密區(qū)和外流場進行了光滑優(yōu)化處理，整個計算域網(wǎng)格總量約400萬，其中外流場網(wǎng)格數(shù)約137萬，內(nèi)部加密區(qū)與模型網(wǎng)格約263萬，且質(zhì)量在0.5～1.0范圍內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)達(dá)98%，最終的計算誤差也滿足工程要求.由于Realizablek—ε湍流模型只適用于湍流核心區(qū)的計算，因此筆者對近壁面網(wǎng)格采用非平衡壁面函數(shù)法進行處理.

圖4 模型網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)Fig.4 Mesh details of the models

2.3 計算基本假定與邊界條件

為了簡化問題，對空氣流動的基本假定認(rèn)為空氣流體為各向同性且不可壓縮的牛頓流體，同時忽略黏性耗散.數(shù)值模擬計算采用FLUENT軟件的Realizablek—ε湍流模型和SIMPLEC算法，邊界條件設(shè)定如下：

2) 出口邊界采用壓力出口，出口壓力設(shè)為0 Pa自由出流，計算流域的兩個側(cè)面及頂面均采用對稱邊界，相當(dāng)于光滑壁面，流域地面和建筑物表面采用無滑移壁面條件.

模擬采用非定常計算，其中湍流動能以及耗散率均采用二階迎風(fēng)格式．當(dāng)殘差小于10-5，可以認(rèn)為計算收斂[12]，即流場進入穩(wěn)定狀態(tài).

3 結(jié)果與討論

3.1 風(fēng)能集聚效應(yīng)評價指標(biāo)

風(fēng)能的利用實際上是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的過程，對于風(fēng)力發(fā)電機安裝通常需要考慮較多的因素，例如應(yīng)確保該位置具有較大風(fēng)速但湍流度較低等條件.通常，建筑風(fēng)能集聚效應(yīng)采用以下3項指標(biāo)[10]進行：

1)實際風(fēng)速VZ通常由平均風(fēng)能密度[13]來評價風(fēng)能資源情況，公式為

(1)

式中：w為平均風(fēng)能密度；Vi為等級風(fēng)速；Ni為等級風(fēng)速出現(xiàn)的次數(shù)；N為各等級風(fēng)速Vi出現(xiàn)的總次數(shù)；ρ為空氣密度.由式(1)可以看出：風(fēng)速的大小對平均分能密度起決定作用，因此風(fēng)速作為評價建筑物集聚并利用風(fēng)能的重要參數(shù)之一，風(fēng)力發(fā)電機安裝的位置應(yīng)該滿足風(fēng)力機啟動的要求，要求風(fēng)速大于風(fēng)機啟動速度為3 m/s.

2)風(fēng)速增大系數(shù)CV是評判建筑物風(fēng)能集聚效應(yīng)的重要參數(shù)，其計算公式為

CV=(V-V0)/V0

(2)

式中：V為所測位置平均風(fēng)速；V0為上游相同高度處未受擾動時的風(fēng)速.CV越大則建筑物對風(fēng)能的集聚效應(yīng)越好.

3)湍流強度IZ主要描述建筑物風(fēng)場的湍流擾動程度，則高度z處的湍流強度為

(3)

3.2 數(shù)值模擬有效性分析

圖5為方形擴散體建筑數(shù)值模型M1在工況1下通道中心線沿高度各點試驗值與模擬值數(shù)據(jù)對比.試驗風(fēng)速值與模擬值吻合較好且隨高度變化趨勢一致，兩者風(fēng)速最大值點位置略有差異但較為接近，模擬值與試驗值誤差最大位于測點3處為2.8%，小于5%的誤差限值[12].兩者風(fēng)速增大系數(shù)CV變化趨勢相同但模擬值與試驗值相比偏小.隨著高度的增加風(fēng)速增大系數(shù)均緩慢減小，但在測點位置5之后，試驗值與模擬值均出現(xiàn)了較大幅度的下降.根據(jù)雷諾數(shù)的定義，由于在實驗中使用的是1∶300的縮尺模型，要獲得與實物一致的雷諾數(shù)，實驗風(fēng)速必須是自然風(fēng)速的300倍，因此要滿足雷諾數(shù)一致也是不可能的.因此，在試驗中采用的風(fēng)剖面函數(shù)一致，但風(fēng)洞試驗與實際風(fēng)速值有差異，且風(fēng)速增大系數(shù)公式中的上游未受擾動時相同高度處的風(fēng)速不同，所得到的風(fēng)速增大系數(shù)也會有一定差異，但都反映了擴散體通道對風(fēng)速的增強效應(yīng).而湍流強度由于尖劈、粗糙元與建筑模型尺寸的影響，模擬值相比試驗值偏大，隨著高度的增加模擬值大小保持在0.18左右較為穩(wěn)定，而風(fēng)洞試驗湍流強度穩(wěn)定在0.11附近，由于測點7處于頂部繞流區(qū)，受頂部繞流與錐形渦的影響而湍流強度值較大，但兩種方法的湍流強度最大值均小于0.25限值.

圖5 數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比Fig.5 The comparison between numerical simulation and wind tunnel test

3.3 風(fēng)能集聚效應(yīng)分析

3.3.1 建筑間距D

方形擴散體建筑模型在工況1下通道內(nèi)各測點的風(fēng)速VZ、風(fēng)速增大系數(shù)CV和湍流強度IZ隨模型間距的變化情況如圖6所示.無論在何種間距下，通道中心線上各測點風(fēng)速的變化趨勢相同，均隨著高度的增加先增大后減小，不同間距模型在測點4或5位置處風(fēng)速達(dá)到最大值.各測點的風(fēng)速值隨著模型間距的增大而先增強后減弱，其中風(fēng)速最大位于間距D2(即D=19 m)下測點4位置處為16.6 m/s，相比于同間距下的最小風(fēng)速值提高了約6%，而各點的風(fēng)速增大系數(shù)CV>0且隨著高度的增加逐漸減小，但趨勢較為平緩.隨著間距的增大CV值逐漸減小，其中CV最大值同樣位于間距D2下測點1位置處為0.42，相比同間距情況下的最小值提高約40%，其中測點4(建筑全高的3/4)處的風(fēng)速增大系數(shù)為0.41.湍流強度除間距為D3外，其他情況下變化較為均勻，總體上隨高度增加略有減小，其中最大值為0.15.

3.3.2 風(fēng)向角α

不同迎風(fēng)角下擴散體建筑的等效迎風(fēng)面積不同，模型的對于風(fēng)能集聚效應(yīng)必然有所差異.圖7為M1在間距D2時通道內(nèi)各點的三個指標(biāo)變化情況(D=19 m).由圖7可知：通道內(nèi)各測點的風(fēng)速隨著風(fēng)向角的增大逐漸減小，其中工況2與工況1的風(fēng)速較為接近；在工況1～3下風(fēng)速變化較為平緩，測點的風(fēng)速值仍保持著隨著高度的增加先增大后減小的趨勢；在工況4～6下風(fēng)速值波動較大，與工況3相比風(fēng)速值出現(xiàn)較大幅度的減小且變化無明顯規(guī)律；在工況1～3下的CV均為正值且隨著高度的增加逐漸減小;在工況4～6下CV均為負(fù)值且波動較大.

圖6 風(fēng)向角為0°時測點的風(fēng)特性Fig.6 The wind characteristics when α=0

圖7 不同風(fēng)向角下測點的風(fēng)特性Fig.7 The wind characteristics under different wind angle

圖8 數(shù)值模型M1在0°和45°風(fēng)向角下的速度云圖Fig.8 The contour map of velocity for M1 when α=0° and α=45°

在間距D2下方形擴散體建筑模型集風(fēng)效應(yīng)較好的風(fēng)向角為0°～30°，其中工況1下的集聚效應(yīng)最佳.而對于湍流強度，在工況1和2下平均值為0.1，且變化較為平緩，在工況4～6下湍流度值較大且變化較為復(fù)雜，表現(xiàn)為風(fēng)速大小具有一定的不規(guī)則性.數(shù)值模型M1在工況1和4條件下的速度云圖如圖8所示.

3.3.3 迎風(fēng)面寬度B與通道長度L

數(shù)值模擬中，筆者分別對迎風(fēng)面寬度和通道長度對模型集風(fēng)效果的影響進行了研究.圖9所示為0°風(fēng)向角下數(shù)值模型M1～M7通道內(nèi)各測點三個指標(biāo)的變化情況.一方面，模型保持通道長度L不變，取迎風(fēng)面寬度分別為30，40，50，60 m，對應(yīng)表1中的M1，M2，M3和M4.由圖9可知：各模型通道內(nèi)的風(fēng)速均隨著高度的增加先增大后減小，隨著迎風(fēng)面寬度的增加，模型通道的風(fēng)速先減小后增大.其中模型M2通道內(nèi)的風(fēng)速值相對較小，模型M4(B=60 m)通道內(nèi)的風(fēng)速值在測點1～5處相對較大，其中峰值位于測點4(建筑全高的3/4)處，可能是因為較大的迎風(fēng)面寬度對來流阻擋作用增強而使較多的空氣流動聚集到通道內(nèi).另一方面，為研究通道長度對建筑的集風(fēng)效應(yīng)影響，數(shù)值模型保持迎風(fēng)面寬度B=30 m，分別選取通道長度L分別為30，40，50，60 m，對應(yīng)表1中的M1，M5，M6和M7.無論在何種通道長度下，模型各點的風(fēng)速首先隨著高度的增加逐漸增大，在測點5處達(dá)到最大值，隨著高度的繼續(xù)增加逐漸減小或保持不變.其中模型M1在測點1至5處的風(fēng)速以及風(fēng)速增大系數(shù)均大于其他模型，且M5，M6和M7的風(fēng)速與風(fēng)速增大系數(shù)較為接近.模型M7在測點6和7位置處的風(fēng)速和風(fēng)速增大系數(shù)相比其他模型較大，風(fēng)速最大位于模型M1測點5(建筑全高5/6)處.以上所有數(shù)值模型在各工況下的湍流強度較為接近，均處于0.16附近，且隨迎風(fēng)面寬度增大變化較為平緩，只有測點7處由于受建筑屋頂擾流的影響出現(xiàn)較大的波動，但均小于0.25限值.

圖9 數(shù)值模型在不同B和L條件下風(fēng)速特性Fig.9 The wind characteristics for different B and L

3.3.4 建筑高差Δh

在城市高層建筑群中，相鄰高層建筑往往存在著高度差.數(shù)值模擬中選取B=L=30m，D=19m，取相鄰建筑高度差Δh分別為0，30，60，90m進行研究.表2為不同高差下通道中心沿豎直方向風(fēng)速最大點位置h0，風(fēng)速最大值Vmax，風(fēng)速增大系數(shù)CV和湍流強度IZ.數(shù)據(jù)顯示，隨著高差的逐漸增大，通道內(nèi)的風(fēng)速最大值逐漸減小且峰值位置位于較低建筑的5/6高度處，風(fēng)速增大系數(shù)同樣隨著高差的增大而減小.

表2 各高差下數(shù)值模型的風(fēng)特性

4 結(jié) 論

截面為方形的高層擴散體建筑具有較好的風(fēng)能集聚效應(yīng).建筑通道內(nèi)各測點的風(fēng)速均隨著高度的增加先增大后減小，風(fēng)能集聚效應(yīng)隨著建筑間距的增大而先增強后減弱.在通道長度不變的情況下，集聚效應(yīng)隨著迎風(fēng)面寬度的增加而增強；在迎風(fēng)面寬度固定時，通道內(nèi)的風(fēng)速隨著通道長度的增加而減小，風(fēng)通道長度超過一定數(shù)值后各點的風(fēng)速基本保持不變，其中在建筑全高的1/2～5/6范圍內(nèi)風(fēng)能集聚效應(yīng)明顯，且在約全高的3/4處達(dá)最佳.對存在高差的相鄰兩高層建筑，隨著高差的增大，通道內(nèi)的最大風(fēng)速值以及風(fēng)速增大系數(shù)均逐漸減小，集聚效應(yīng)減弱，但是相應(yīng)點的湍流度受高差影響無明顯變化，其中風(fēng)速最大值位置位于相對較低建筑全高的5/6處.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Wind energy gathering effect of diffuser high-rise buildings

YUAN Weibin, WANG Zhao, LI Zebin

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

A wind tunnel experiment and CFD numerical modeling are employed to investigate the wind-energy gathering effect of diffuser high-rise buildings with square cross-section from different wind channel spacings, altitudes and wind angles. The study explores the optimum location of the wind energy gathering by comparing the mean-speed, the increased coefficient and the turbulent intensity. The results show that the windward side width has a larger gathering effect than the channel length, and the wind channel spacing strengthens the gathering effect when the distance value distributes in a limited range. The gathering effect occurs at the 1/2 to 5/6 height of the building and reaches to the optimum value at the 3/4 height of the building. The gathering effect decreases with the increase of the difference of building heights and the maximum wind speed occurs at the 5/6 height of the lower building.

diffuser high-rise buildings; wind tunnel test; CFD numerical modeling; wind energy gathering effect

2016-06-19

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LY15E080023)

袁偉斌(1977—)，男，浙江嵊州人，教授，博士，研究方向為鋼結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用、鋼-混組合結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)風(fēng)工程，E-mail:yuanwb@zjut.edu.cn.

TU973.213

A

1006-4303(2017)04-0454-07