氣流繞流對某科技館屋頂垂直軸風力機運行的影響

徐超,王振亞,孫峰,李慧杰

(1.同濟大學上海地面交通工具風洞中心,上海201804;2.上海屹安風能設備有限公司,上海200031)

某科技館屋頂離地面22.45 m處,東西兩側安裝兩臺垂直軸風力發電機,在試運行檢測時發現,當風速為2～4 m/s,風向為東北風時,東側的垂直軸風力機能夠正常運行,而西側的垂直軸風力機基本不能運行。為了分析造成這種情況的原因以便采取有效措施進行改進,本文應用CFD[1]方法,對氣流進行了模擬。模擬工作沿科技館8個方向來流,每個方向來流取三個不同風速(2m/s,5 m/s,10m/s),然后根據計算結果分析屋頂氣流流動情況。

1 計算模型和網格處理

用UG軟件建立科技館屋頂和垂直軸風力機的三維模型,如圖1。計算采用的湍流模型為RNG kepsilon,壁面附近采用標準壁面函數,并把進口設為速度邊界條件,出口設為壓力邊界條件。計算域內的流場用Hyper M esh軟件生成面網格,用T-grid軟件生成非結構化的四面體網格,網格總數約為350萬(如圖2)。采用雷諾時均的N-S方程做定常計算,湍流動能、湍流耗散項、動量方程都采用一階迎風格式離散,MRF隱式分離、SIM PLE壓力速度耦合[2]。

2 計算結果和分析

2.1 原安裝高度的風力機迎面風速

圖3為不同風向、風速時,東、西兩側垂直軸風力機原安裝高度迎面風速的計算結果。圖中列出了每一風向有3組數據,自左向右分別為三種來流風速時的東、西兩側垂直軸風力機迎面風速計算結果。

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算網格

根據圖3風速為2 m/s時的計算結果可見:(1)東北風向來流時,東側垂直軸風力機的迎面風速為2m/s,而西側風力機的迎面風速低于1.2 m/s,無法正常啟動;(2)西北風向來流時,西側垂直軸風力機的迎面風速為2m/s,而東側垂直軸風力機迎面風速低于1 m/s,也會無法正常啟動;(3)正北風向時,東、西兩側風力機的迎面風速約為1.5 m/s,基本可以啟動;(4)正南、西南和東南風向來流時,東、西兩側垂直軸風力機的迎面風速為2 m/s,可以正常啟動。

圖3 東、西兩側垂直軸風力機安裝高度升高前的迎面風速度

分析圖3中不同風向,風速為10 m/s時的計算結果可見:西南、正南風向時,東、西兩側垂直軸風力機迎面風速均在10m/s左右;正北風向時,東、西兩側垂直軸風力機的迎面風速相同,但要低于來流風速40%;正東、東北、正西、西北風向時,東、西兩側垂直軸風力機的迎面風速相差在35%～70%之間。

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

2.2 提升安裝高度后風力機迎面風速

圖4是垂直軸風力機安裝高度升高后東、西兩側垂直軸風力機的迎面風速計算結果。圖中可以看到,安裝高度升高后,不同風速時,東、西兩側垂直軸風力機在正東、東北、正西、西南風向時迎風速度最大相差僅20%左右;在東南、西北、正南和風向時,東、西兩側垂直軸風力機迎面風速度與來流風速基本相同;正北風向時,東、西兩側垂直軸風力機的迎面風速均相等,但要小于來流風速10%左右。

由此可見,提高垂直軸風力機在屋頂上的安裝高度可以充分利用各個方向來流的風能資源,改善垂直軸風力機運行狀況。但考慮到垂直軸風力機在高速氣流下的強度和振動問題,安裝高度的提升必須適當。根據計算,建議在原來安裝高度位置上將垂直軸風力機提升一張葉片高度為宜。

圖4 東、西兩側垂直軸風力機安裝高度升高后的迎面風速度

2.3 屋頂氣流繞流流場對不同高度風力機運行的影響

限于篇幅,本文僅以東北方向來流為例,分析不同風速情況下氣流流場對西側垂直軸風力機迎面風速度場分布的計算結果。

圖5可見,原安裝高度時垂直軸風力機處于屋頂渦流區,迎面風速度平均低于1.2 m/s;安裝高度升高后整個垂直軸風力機高度上迎面風速度超過2.2 m/s。

圖6可見,原安裝高度時垂直軸風力機處于屋頂低風速區,迎面風速度平均低于3.5 m/s;安裝高度升高后整個垂直軸風力機高度上迎面風速度超過5m/s。

圖5 風速2 m/s兩臺垂直軸風力機的繞流

圖6 風速5m/s時兩臺垂直軸風力機的繞流

圖7可見,原安裝高度時垂直軸風力機處于屋頂低風速區,迎面風速度平均低于6 m/s;安裝高度升高后整個垂直軸風力機高度上迎面風速度超過10 m/s。

圖7 風速10m/s兩臺垂直軸風力機的繞流

圖8專門給出了30m/s風速時的計算情況,可見原安裝高度時垂直軸風力機處于屋頂低風速區,迎面風速度平均低于25m/s;安裝高度升高后整個垂直軸風力機高度上迎面風速度超過30m/s。

圖8 風速30 m/s兩臺垂直風力機的繞流

綜上可見,在不同風向和風速情況下,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力機時有必要事先了解建筑物和建筑群對垂直軸風力機迎面風來流的影響。

3 結論

(1)計算表明,某科技館的外墻立面,屋頂結構布局和周邊建筑物在不同風向和風速情況下氣流繞流對東、西兩側垂直軸風力機的迎面風速有著非常明顯的影響。

(2)計算分析發現,在原安裝度的情況下,東北方向來流,2 m/s風速時,西側垂直軸風力機的迎面風速降低了25%,原因是當氣流繞流建筑物時,屋頂西側出現大渦流區,造成西側垂直軸風力機迎面風速低于1.2 m/s,不能正常啟動。在高風速情況下,繞流屋頂的氣流出現嚴重的不均勻風速分布,西側垂直軸風力機的迎面平均風速有40%以上的下降。這種現象在其他風向和來流風速情況下同樣存在,只是影響程度不同。

(3)根據計算分析,并考慮了垂直軸風力機的強度和振動,將兩臺垂直軸風力機的原安裝位置提升一張葉片的高度,可以充分利用各個風向的風能資源。工程實施證明,該措施有效。

由此可見,把CFD計算結果應用于垂直軸風力機的布置、規劃和工程安裝是可行的。同時,利用CFD計算的方法還可以對一些極限條件(如30 m/s以上的颶風等)下的風力機進行進行模擬分析,這是用試驗方法無法實現的,在城市建筑物或建筑群中規劃、布置和設計垂直軸風力機風能資源利用時非常有用應予以充分重視。

[1] 王福軍.計算流體動力學分析.CFD軟件原理與應用EM[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2] 楊偉,顧明.高層建筑三維定常風場數值模擬[M].同濟大學學報(自然科學版),2003.