平板型高層建筑風能集聚效應研究

竹宇波（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

1 緒 論

1.1 研究背景

隨著城市化建設的快速發展，城市人口居住的密度日趨緊湊，目前，中國人口愈千萬的城市達到14座之多！其中有3座城市人口超過2000萬，這些數字將會隨著城鎮化水平的快速發展不斷提高。因此在土地資源越來越有限的情況下，高層建筑的建設可以緩解人類居住、工作環境的壓力，現今世界上比較著名的超高層建筑有總高828 m的迪拜塔、總高為632 m的上海中心大廈、597米的天津117大廈等，如圖1所示。

不過高層建筑的發展，也給建筑結構安全性和居住舒適性帶來了巨大的挑戰，高層建筑的剛度隨著建筑高度增大而降低，而其自身頻率與風頻率越來越接近，使得建筑整體剛度對風荷載變的很敏感，特別是對于江浙沿海地區來說，風荷載較地震荷載對高層建筑的橫向作用力更大，因此控制風荷載成為高層結構設計面臨的巨大挑戰。

圖1 城市典型超高層建筑

據國內外統計的自然災害表明，風災損失居各種災害之首，2010年的第11號超強“臺風凡亞比”登陸中國東南部及中國臺灣，造成101人死亡，房屋倒塌數以千計；2013年11月，超強臺風“海燕”在菲律賓登陸，中心最高風速達到87.5m/s，約1萬人罹難，高達25000失蹤，并在災后一個月內災區死亡人數仍在增加。

不過，風能是一種無污染、可再生能源，在能源緊張和生態環境遭受污染的時代，全球的可利用風能是水能資源的10倍，風力發電是除水力發電以外，技術最成熟和最具有商業發展前景的發電技術。

因此，風荷載雖然會對建筑產生橫向作用，對結構設計也會帶來挑戰，但是如何提高風能的利用率，實現能源的可再生利用，對高層建筑也可以實現能源的自給自足，是解決我國能源短缺問題一項重要舉措。

1.2 國內外研究現狀

隨著計算機技術的快速發展，國外學者提出了許多關于風能利用和集中的模型，在建筑環境中，根據風力發電機安裝的位置，SanderMertens[1]提出了三種基本空氣動力學集中器模型：擴散體型、平板型、非流線體型,其中平板型風力集中器建筑型式可利用空洞聚集加強的風，驅動風力發電。在2001年到2002年，荷蘭Delft技術大學和荷蘭能源研究中心開展了“Wind energy solutions for the built environment”的研究項目，建造出了平板型集中器模型建筑。

在國內，我國在利用建筑風能發電方面的研究剛剛起步，姜瑜君,桑建國[2]等通過實驗和數值模擬對高層建筑周圍風環境進行評估，結果表明由于建筑物的影響，高層建筑附近區域會出現局部的大風；馬劍，陳水福[3]在數值模擬和風洞實驗的基礎上對高層建筑組成的8種不同布局形式的建筑群在人行高度處的風速比和風速矢量進行了模擬計算，獲得了風環境狀況與建筑平面布局之間的一些定性和定量的影響關系。張玉，袁行飛[4,5]通過計算流體力學對風能利用建筑的風場進行了數值模擬，提出了其利用效能的評價指標；并從分析建筑環境中的風能特點出發，闡述了建筑環境中風能利用的可能性，介紹了建筑環境中風能利用的主要方式為自然通風排氣和風力發電。張濤，陳寶明[6]等結合我國濟南市的氣候特征，利用CFD和風洞實驗相結合的方式，以3種基本建筑集中器型式為基礎，分析各建筑形式風能集結。

2 結構風工程基本理論

2.1 邊界層風特性

風荷載是空氣流動對工程結構所產生的壓力，而空氣在大氣邊界層內貼近地面的流動為湍流，速度和流動方向呈現隨機脈動特征，在研究湍流的特性時,一般將風速看做平均風和脈動風兩部分，在某t時刻的瞬時風速可由脈動風速v'(t)與平均風速之和來表示，公式即：

2.1.1 平均風速剖面

平均風剖面描述風速沿豎向高度變化的情況，在不同粗糙度地面，其平均風剖面會有所變化,平均風速沿著豎直方向的分布變化情況，其中包括兩種主要的分布模型——對數律和指數律。

對數率能相對更貼合實際地描述大氣底層的強風平均風速[7]。

式中，為大氣底層內高度z′處的平均風速；為摩擦速度或流動剪切速度；κ為Karman常數，近似取值為0.4； 0z為地面粗糙長度；z′為有效高度。

Davenport[8]提出了平均風速沿高度變化沿高度變化規律可用指數律表達，表達式為：

其中，zb表示標準參考高度；z表示任一高度；表示處在標準參考高度下的平均風速；為處在任一高度下的平均風速。α是指地面粗糙度的指數，該模型是假設在梯度高度范圍內α保持不變并且梯度風高度只與α相關。

2.1.2 湍流強度

湍流強度描述了脈動風的相對強弱，在某一高度z處湍流強度為：

式中，I(z)是高度z處的湍流強度；是在高度z處的平均風速（m/s）；σ(z)是脈動風速均方根。

2.2 風對建筑物的影響

2.2.1 基本風速

在現實工程設計中，風速是可以通過工程風速儀測得的，但是風荷載是必須要通過作用在建筑物表面的風壓計算所得。因此通過找出風速與風壓之間的對應關系，在任一流線上各點可以得到風壓的基本方程用Bernoulli方程表示：

表1 我國地面粗糙度類別和對應的ZG，α值[9]

表2 我國規范的湍流強度

式中，ρ是空氣密度(kg/m3)；v是某點風速(m/s)；P1是某點靜風壓(Pa)。等式左邊第一項是動壓，等式右邊是總壓。若流線上的某點v=0，則該點取得最大靜壓，即P1=C，令

式(6)就是基本風壓和基本風速之間的關系式。

2.2.2 風對建筑物的影響

高層建筑被認為是豎向的懸臂結構，風荷載對建筑產生振動作用，主要有以下方面：

1）風向一致的風力作用包括平均風和脈動風，其中脈動風會引起建筑物在順風向的振動；

2）建筑物背部流場會產生漩渦，使建筑物在橫風向振動，特別是細長柱形的高層建筑，不可忽略此種形式引起的振動；

3）在城市建筑群中，會明顯受到上游建筑尾流影響造成的振動。

3 平板型建筑數值模擬研究

3.1 模型參數與工況設置

本文對平板型建筑（長L為30m－寬D為10m－高H為30m）的模型進行數值模擬，因此模型參數的首要變量是高度，分別取開洞高度在1/2,2/3,5/6，也就是15m，20m，25m三個高度位置進行通道內風速的測定，洞口的尺寸為5m×5m的方形，根據風洞試驗通道風速測試結果，在建筑高度的2/3處附近風速和風速增大系數均達到極值，鑒于此，對2/3高度位置（20m）進行風能集聚效應研究較為合理準確。

表3 數值模型高差參數設置

所以，在建筑物20m高度位置控制風向角的變量，選取的風向角為每15°設置一個工況，共設置7組工況，風向角設置如表4所示：

表4 數值模型風向角參數設置

圖2 不同開洞高度處建筑通道內風壓云圖

3.2 單體平板型建筑周圍流場特性與表面風壓特性

在風荷載特性和抗風研究過程中，通常采用風特性云圖或者等值線圖形來展現建筑流場周圍各種風特性，包括建筑通道內風壓，建筑迎風面風壓，建筑側面風壓等。接下來，將著重研究不同開洞高度建筑風場內的風特性和同一開洞高度不同風向角風環境的比較。

圖3 不同開洞高度處平板型流場流線與風壓云圖

1）不同開洞高度下建筑通道內風壓特性（H=15m，20m，25m；β=0°）

在0度風向角的工況下，由于建筑物的對稱性而體現出的風特性也比較對稱，通道內風壓特性也較為均勻，從圖2中可知，對于建筑開洞高度在15m，20m，25m這三個高度的風壓特性，其風壓系數變化不大，特別是通道內部和背面風壓都是較為均勻的，只是開洞高度較低處，負壓比較大；而在開口正面中，我們會發現隨著高度的增加，風壓會逐步增強，所以開洞高度越高，迎風面的風壓是越大的。

2）不同開洞高度下建筑流場特性和表面風壓特性（H=15m，20m，25m；β=0°）

圖3主要考慮在風向角不變的情況下，改變洞口開洞高度對建筑流場特性與建筑表面風壓特性影響的研究和分析。開口尺寸選取5m x 5m的方形洞口，分別在洞口中心高度為15m，20m，30m進行模擬，總體而言，高層建筑迎風面存在較大的正壓，建筑側面有著較大負壓，特別是建筑通道側面，建筑背風面分布著零散駐渦和分離渦等，駐點和停滯點也是明顯存在的，而尾流區氣流運動則比較復雜。

圖4 不同風向角下平板型流場流線與風壓云圖

隨著開洞高度的增高，建筑背風面渦旋的形成和“卡門渦街”現象是有逐漸減弱的趨勢，通常，在風向角0°的工況下，風場風壓系數大致以建筑通道中心線對稱分布，建筑高度方向上分布地也較為均勻，但是我們從圖中可以看出大約在建筑全高2/3區域到達最大，因此，建筑開洞的高度并不是越高，風所聚能的效果是越好的，需要合理選擇風機的安裝高度。

3）同一開洞高度下建筑表面風壓特性和周圍流場特性（H=20m；β=0°-90°）

根據研究表明，對于單體高層建筑來說，停滯點約在建筑全高2/3位置處[10]，也就是在此附近平均風壓最大，所以研究該位置處的風向角變化較為合理。

從云圖中可以觀察到每個渦都是一個很高的負壓區，駐點位于渦旋與渦旋的交界處，而在建筑的背風面都各自形成了駐渦。隨著風向角的增大，建筑背風面的駐渦會逐步往洞口通道側移動，通道內則會始終產生比較大的負壓區。對于尾流區，當風向角約為15°-30°和60°-75°時，建筑尾流區有“卡門渦街”現象發生，但是后渦旋現象會隨著尾流區的延伸而逐步消失。整個過程有回旋環流的趨勢，但并沒有實際形成回旋環流。

4 結 語

隨著城市化建設的快速發展，高層建筑的建設可以緩解人類居住環境的壓力。但是不同建筑高度受到風荷載的影響不同，平板型高層建筑的風特性研究可以為城市建設規劃和建筑風能利用提供重要參考。本文采用CFD數值模擬方法，選取風機安裝高度，風向角等作為控制變量，通過建立多組工況研究建筑物周圍風能集聚效應。結果表明：對于不同的開洞高度，通道內的風壓是比較均勻的，隨著開洞高度的增加，洞口表面風壓會逐漸增大；而風場的風壓系數隨著建筑物的高度方向是比較均勻的，大約在建筑全高2/3處到達最大，因此，建筑開洞的高度并不是越高，風所聚能的效果是越好的，需要合理選擇風機的安裝高度；隨著風向角的增大，建筑背風面的駐渦會逐步往洞口通道側移動，當風向角約為15°-30°和60°-75°時，建筑尾流區有“卡門渦街”現象發生，但是后渦旋現象會隨著尾流區的延伸而逐步消失。

中國建筑材料科學研究總院召開2018年工作會議

2018年1 月26 日，中國建筑材料科學研究總院（簡稱中國建材總院或總院）2018年工作會議在北京召開。中國建材集團黨委書記、董事長宋志平，副董事長李新華出席會議并作重要講話，中國建材集團副董事長、中國建材總院院長姚燕做了題為“把牢科技優勢，堅持效益優先，全力推動總院實現高質量發展”的工作報告，中國建材總院黨委書記王益民做了題為“步入全面從嚴治黨新時代，踏上總院改革發展新征程”的黨委報告。會議由中國建材總院副院長周云峰主持。

2017 年，在集團董事會的指引下，在集團公司的正確領導下，中國建材總院深入貫徹落實黨的十九大精神以及黨中央和國資委“穩中求進”等要求，堅持集團“穩增長、抓改革、防風險、強黨建”十二字工作方針和“早細精實、干字當頭”“穩價、保量、降本、收款、壓庫、調整”等經營管理原則，在總部管理、生產經營、科技創新、轉型升級、黨建文化等各項工作取得積極進展，全年實現收入68.37億元，同比增長24%，利潤總額7.75億元，同口徑增長22%，取得良好的經營業績。