集成在建筑上的达里厄型风机气动性能的数值模拟

摘要：风能在建筑中的应用已经成为研究的热点。基于计算流体力学方法，采用滑移网格技术和SST
k一∞湍流模型，对风力机与建筑一体化二维模型的绕流流场进行了数值模拟，考察了风力机在不同
来流速度和转速下的气动性能，分析了来流速度和尖速比对风力机平均转矩系数和平均功率系数的
影响，总结了能量利用效率随尖速比变化的规律。研究表明：迎风面的风力机能有效提高平均功率系
数，最佳尖速比接近2。

引言
在可再生能源的开发利用中，风电是除水电之外，技术最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的发电技术。风能与建筑一体化设计理念很好地综合了人们对环保与节能的要求，适用于城市土地资源紧缺的状况，而且运行费用相对较低，降低了电力输送的成本和损耗。伴随着现代化和城市化的发展与风力发电技术的进步，利用建筑环境中的风能发电对实现建筑可持续化发展、缓解能源与环境矛盾具有重要而深远的意义，建筑与风电一体化必将成为城市绿色节能建筑未来发展的主流方向。
1997年，国外学者Stathopolous对建筑物表面的风作用和其周围的流场环境进行研究旧1；1995年Tamura[3|、1997年Murakami‘41、1998年Lar—son[51等分别对风与结构之间的相互作用做了探讨；1998年，Song和He帕1对建筑物和结构物周围风环境的相关问题进行了研究；2003年，SanderMertens"1采用数值模拟的方法分析几种建筑形式，发现合理的建筑形式可以提高风能的利用率。还研究了屋顶流场的分布，提出了垂直轴风机比水平轴风机更适合安装在屋顶。Andrea M．Jones根据计算流体动力学原理，研究了在城区中利用单体建筑进行风能利用的效果，通过流体动力学原理评估计算程序对单体建筑利用风能效果的计算。2004年，Ken．ichi Abe、Yuji Ohya旧1使用软件模拟分析了一种具有折边的扩散体建筑形式周围的流场，研究了此种建筑形式在进行风能利用时的特性。
文中基于计算流体力学方法，选定有效的湍流模型，利用数值计算软件对一种垂直轴风力机与高层建筑一体化设计进行二维绕流风场模拟，分析风力机在不同来流速度(6m／s、9m／s和12m／s)和不同转速(TSR=1、2、3、4和5)下的平均转矩系数和平均功率系数，找出各速度下的最优尖速比。为实际工程中风力机与建筑一体化设计提供理论依据。
1物理模型及计算方法
1．1模型及计算区域
达里厄型风力机是典型的利用翼型升力做功的垂直轴风力机。其叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动形成转矩，使叶片旋转时几乎在360。内都有升力产生，拥有优越的空气动力特性和良好的工作效率。相较于水平轴风力机，工作过程噪声小且稳定，可以在低风速下启动，抗风性能好。达里厄型风力机有多种形式，文中研究的是3叶片H型。叶片翼型的相关参数如表1所示。

该模型为风力机与凹角建筑相结合的二维模型，建筑平面形状为34m×34m的正方形，并在4个角均挖去1个3m×3m的正方形形成4个凹角，以便于放置风力机。风力机的旋转半径为2m，3个叶片中心与转轴的连线互成1200，4个风力机从右上开始以逆时针方向进行编号分别为：1、2、3、4号(见图1)。最终选定的计算区域为：人流边界到建筑中心取10D，即340m；出流边界到建筑中心取40D，即1360m；计算区域两个侧面到建筑中心取10D，即340m。故计算区域是总尺寸为1700m×680m的矩形。模型以建筑中心为坐标原点。

为了更好地划分加密网格，文中忽略了风力机的支撑臂，并在叶片外围加了一个半径为0．3m的圆来包覆，且将叶片与转轴分开于2个区域：内部旋转区域的半径为1．5m，外部旋转区域半径为2．5m。
1．2网格
应用Gambit软件划分网格，网格整体采用结构网格，局部采用非结构网格，在靠近建筑和风力机的区域网格比较密集(见图2)。风力机与建筑的结合处采用分块建模，如图2(b)所示。整个模型共分为48块，网格总量为727128个。

投稿会员：芳华