不同入流条件下屋顶湍流特性和风轮输出功率的数值模拟

发布时间：2020-05-22 04:01

【摘要】：基于城市环境中的风能利用的广阔前景,建筑风能一体化备受青睐。城市风环境由于大量建筑物的存在变得复杂,建筑物周围的风场分布独特,具有湍流程度加剧、风速降低和局部加速等特点。因此,为合理利用建筑环境中的风能,保障屋顶风力机的输出特性和安全可靠性,探究不同入流条件下建筑屋顶湍流特性及屋顶风力机功率特性的变化规律,以确定风力机最佳安装位置和高度及多台风力机的布置,对城市建筑风能利用和屋顶风力机的安装推广有重要意义,亦具有一定的理论和工程实践的价值。依据三种典型地形拟合对应的入流风剖面作为入流条件,从湍流强度和风加速因子等角度定性定量的分析不同入流条件下屋顶湍流特性及分布规律。研究发现:城市郊区对应的指数风剖面入流,分离区范围较大,其风加速效果最小,风力机应安装于高度大于0.3倍建筑高度的前沿点或近前沿点。建筑物密集但无高大建筑的城市市区对应的对数风剖面入流,同等高度下,产生的速度阻滞程度最小,风加速效果最为明显,但屋顶中后部存在高湍流区域,屋顶风力机应安装于高度大于0.2~0.34倍的建筑高度的前沿点或近前沿点。对于有高大建筑的城市市区对应的半对数风剖面入流,分离区范围最小,速度恢复较快,建筑风加速效果相对较大,且屋顶上方区域湍流程度较小,风力机应安装于高度大于0.15倍建筑高度的前沿点或近前沿点。基于上述屋顶流场的特殊性,引入“越顶气流高度”的概念,突出越顶气流内高湍流、低风速的特点,着重分析风速及建筑物尺寸对“越顶气流高度”的影响,为屋顶风力机的安装提供理论依据。结果表明:越顶气流高度随风速的增加逐渐减少,随建筑物高度的增加逐渐减少,随建筑物宽度的增加逐渐增加。因此,屋顶风力机的安装高度在考虑入流条件的基础上,还应考虑安装屋顶风力机的建筑的尺寸及其所在地区的年平均风速,以便获得较高的输出功率。综合前文对屋顶风力机安装高度的预测,选定特定位置安装风力机,着重分析屋顶风力机的流场特性及风轮功率变化与入流的关系。结果表明:三种入流情况下,风轮尾流中都出现了明显的轴向速度亏损区域,并且风轮尾流均有不同程度的偏斜,不同入流条件下的偏斜程度与产生分离区的范围和大小成正相关。三种入流条件下风轮功率均随尖速比的增大先增大后减小,在额定工况下达到最大。其中,因对数入流条件下建筑集风效果明显,风轮轮毂处的风速大于其他两种入流,因此其风轮输出功率明显增大。基于屋顶上湍流强度的大小与高度的关系,在屋顶风力机风轮半径范围内选择安装高度分别安装风力机,分析安装高度对风轮功率的影响。结果表明,风轮功率增长速率随着安装高度的增加逐渐减小。因此,屋顶风力机安装时,在安全性和安装成本允许范围内可适当增加安装高度,但增加幅度不宜过大,约为风轮半径(R=0.7m)即可。以上结果对建筑风能利用和屋顶风力机的推广安装有重要意义,亦具有一定的理论和工程实践的价值。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK83;TU758.7

【参考文献】