不同风剖面对建筑物顶面风力机微观选址的影响研究

发布时间：2020-09-30 13:42

　　随着风能应用面的拓宽,发展强扰动环境中建筑物顶部小型风力机的选址工作成为前沿课题。但建筑物周围的风场复杂多变,若选址不当,会影响风力机的输出功率和寿命。本文采用数值模拟和试验相结合的方法,测得呼和浩特城郊处的风速剖面和湍流剖面,通过对城郊单体复杂建筑物上方的速度特征和湍流特征的研究,根据IEC61400-2标准风力机安装高度处湍流强度TI的控制范围,确定了不同入流剖面下建筑物顶部风力机的安装高度;季节性变化(夏秋)对风力机选址的影响和适合城郊建筑物顶部风力机微观选址的入流剖面。为建筑物顶部风力机的选址提供理论指导和数据支持。首先利用ZephIR 300和测风塔上的风速计测得呼和浩特城郊某处夏季到秋季的风数据。采用目标性拟合的方法得到夏季和秋季的风速剖面和湍流强度剖面,将其作为本文数值计算的入口边界条件。通过对风向、风能、速度剖面和湍流强度剖面的分析,结果表明:城郊风场风向多变为主要特征。盛行风向与季节密切相关,夏季与秋季以三种盛行风向为主要特征,其中北风为夏秋季共有盛行风向;风能主要存在于北方和西北方且不随高度变化。秋季和夏季拟合的速度剖面和湍流剖面均服从指数函数形式,速度剖面的指数值大于规范中的建议值,湍流剖面的拟合出的函数基本符合日本规范建议式。其次在速度入流剖面相同的情况下,以System TI法、System TKE法、Friction法及试验函数法为湍流入流剖面,对呼和浩特城郊某建筑周围的湍流强度和速度进行数值模拟,结果表明:湍流边界条件是决定风力机安装高度的重要参数,而对建筑物顶部速度场的分布影响较小。风力机安装高度由高到低的排序是:Friction法试验函数法System TKE法System TI法。然后在湍流入流剖面相同的情况下以夏季试验入流剖面、对数入流剖面和夏季均匀入流剖面为速度入流剖面,分别以八个方向对目标建筑物周围的湍流强度和风加速因子进行数值模拟,结果表明:风力机的安装的位置和高度受入流方向影响较大,单风向的选址结果无法实现既避开强湍流又利用建筑物顶部的风加速,要想保证风力机寿命,三种入流剖面任意来流方向下风力机的最低安装高度分别三种入流剖面任意来流方向下风力机的最低安装高度分别是2.3H,2.25H和2.75H,湍流强度最大值在[1.1-1.5]H之间。在仅考虑主风向和主风能方向时,可实现兼顾避开强湍流和利用风加速,风力机安装位置均在在建筑物前沿,高度均为2H以上;建筑物顶部各位置最大风加速因子小于1.3,所以为减少选址的工作量可不考虑风加速效应。再次通过对以夏季和秋季的试验所得剖面为入流条件进行数值计算,对比分析夏秋季典型位置处的湍流强度和风加速因子,结果表明:夏秋季入流剖面对风力机选址的影响较小,从工程角度可考虑忽略不计。最后综合考虑不同湍流剖面和不同速度剖面对建筑物顶部风力机的选址的影响,提出适合用数值模拟的方法对城郊建筑物顶部的风力机进行选址时的入流剖面。
【学位单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

景观性,风力机,建筑物

图 1-3 景观性建筑物-风力机Fig.1-3 Landscape buildings wind turbines图 1-4 建筑物顶风力机应用实例Fig.1-4 Application example of wind turbine on top of building虽然将风力机安装在建筑屋顶部发展潜力巨大，但是各国均没有全面推广。这是由于存在以下几点问题，一、城市环境和建筑物顶部的流场特征比平坦开阔的场地更

应用实例,建筑物,风力机

2图 1-4 建筑物顶风力机应用实例Fig.1-4 Application example of wind turbine on top of building虽然将风力机安装在建筑屋顶部发展潜力巨大，但是各国均没有全面由于存在以下几点问题，一、城市环境和建筑物顶部的流场特征比平坦开阔加复杂；二、存在安全、噪音、振动和美观问题[11]；三、建筑物顶部小型风计安装规范还未被制定[12]。针对以上难题，需从以下几点着手：1、测量真环境下的风资源和探寻建筑物顶部的流场特性；2、暂时可在非住宅上安装物顶部风力机微观选址。其中建筑物顶部风力机的选址（安装高度和位置的于核心地位。而决定选址准确性的关键是对建筑物顶部的流场信息的确定一些学者已经通过数值模拟研究发现建筑物顶部的风场呈低风速、高湍[13]。风力机安装位置不当会出现难启动、载荷大、寿命低等特征[14]。但对于的风资源和建筑物顶部流场的研究仍然不足。因此，根据实际的城市风环境

风杯,风速仪

物的影响导致城市近郊的风场十分复杂，而建筑处的风速、风向及湍流参数与地区性气象学中得对建筑物顶部的风场特征得到精确且全面的预测件。因此必须对近郊处建筑物所处的风场进行现计和激光雷达等设备，采用分层测量法，对内蒙某建筑物周围的风场进行现场测量，以获得试验后为后期的 CFD 计算提供支撑。式风速传感器为武汉易谷科技有限公司生产的传感器，其结构如图 3-1 所示。

【参考文献】