景坤瑶1, 汪建文1,2, 张立茹1,2, 贺玲丽2
(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010051; 2.风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010051)
摘要：针对地形及城市建筑屋顶风能情况复杂多变的问题,探究入流条件对屋顶风力机输出功率的影响．依据3种典型的城市及郊区地表粗糙度,拟合对应的指数、对数及半对数入流风剖面．选取自制S翼型300 W水平轴风力机,安装于平屋顶合适的位置,采用User Defined Functions接口分别加载3种入流条件,对屋顶流场湍流特性及风轮输出功率进行数值计算．对比分析发现:城市郊区地形的指数入流下建筑屋顶加速效果较小,湍流强度大,不宜安装风力机;城市市区地形的对数入流下风速加速效果最明显,风轮输出功率较高,但其屋顶流场分离、阻滞和湍流程度较大,湍流强度也较大,风力机安装的适宜位置和台数将减少,且存在结构破坏和成本增加等问题;高大建筑城市市区地形的半对数入流下的流场分离、速度阻滞和湍流强度较小,建筑集风效果较明显,适宜安装多台风力机,并可避免风力机结构破坏等问题．
关键词：风力机;屋顶流场;入流条件;湍流强度;输出功率
景坤瑶, 汪建文, 张立茹，等. 不同入流条件对屋顶风力机输出功率的预测[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(4):340-344.
JING Kunyao, WANG Jianwen, ZHANG Liru, et al. Predicting output power of roof wind turbine with different inflow conditions[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(4):340-344.(in Chinese)
当前,建筑与小型风力机一体化发展的新型绿色能源形式已经受到诸多专家学者的青睐．然而,城市建筑屋顶风能情况十分复杂且有强扰动发生,具有低速度、强湍流等特点,并存在越顶气流和绕流[1]．屋顶风力机的输出及安全性也会因此受到影响．
国内外已有学者对建筑屋顶风力机进行了初步的研究．LEDO等[2]研究了3个风向下斜屋顶、金字塔屋顶和平屋顶的风资源特性,指出平屋顶的风能密度最大．BAVUUDORJ等[3]采用风速风向联合的概率分布法分析高层建筑屋顶不同参考位置的风能,进而预测风力机安装的最佳位置．杨柳等[4]在长方形屋顶上选取典型位置,计算揭示湍动能随建筑高度、长度的变化规律．袁行飞等[5]采用CFD数值模拟方法分析了长方体建筑平屋顶对风能的利用,预测风力机在屋顶安装的最佳位置和布列形式．YOSHIE等[6]根据指数分布规律建立入流条件,针对建筑风环境进行数值模拟．HEATH等[7]采用半对数风速剖面作为入流条件对屋顶风场和风力机的安装位置进行了数值模拟．王强等[8-9]利用中性平衡大气边界层理论编制函数作为入流条件,从风加速因子、平均湍流厚度及风力机功率增大因子等角度,分析建筑顶湍流特性以及风力机适宜的安装位置及高度．
综上所述,国内外已有的研究大多采用均匀入流或单一入流，针对建筑风场特性进行分析研究,如屋顶形式、建筑物布局等对风场的风速、湍流强度等的影响,但未针对性地对不同入流条件下的流场和风力机的输出特性进行分析．基于此,文中针对长方形平屋顶安装风力机,分别加载3种入流条件进行计算分析,以获得不同入流对屋顶安装风力机流场及输出特性的影响及规律．
1.1 模型参数及计算域
针对某长方体建筑及风力机进行建模,采用ANSYS Design Modeler建模,图1为建筑模型及风力机安装示意图．建筑物尺寸:长10 m,宽6 m,高10 m.采用课题组自行设计S 系列新翼型水平轴风力机[10],具体设计参数：风力机叶片翼型为S系列某新翼型，额定功率为300 W，额定风速为10 m/s，额定尖速比为5.5，叶片数为3，风轮直径为1.4 m．依据参考文献[2]和[9]确定风力机适宜的安装位置和高度,如图1所示．计算域尺寸:h为建筑物高度,入口到建筑迎风面距离为4h,建筑物两侧到侧边界均为4h,屋顶距上边界4h,建筑背风面距计算域出口8h,阻塞率<>
图1 建筑模型及风力机安装示意图
Fig.1 Building model and installation diagram of wind turbine
1.2 网格划分及计算方法
利用ICEM-CFD的网格划分技术,并在风力机及建筑物迎风面附近进行加密处理,所得网格单元总数约为570万．
基于Fluent平台,采用SST k-ω湍流模型及SIMPLEC算法,利用标准壁面函数处理壁面流动,离散项采用二阶迎风格式,收敛残差设定为10-5,以提高计算精度．
参考《建筑结构载荷规范》(GB 5000—2012)规定,以乡镇和城市郊区、建筑群密集的城市市区、建筑群密集且有高大建筑的城市市区等地形为代表,分别建立3种入流条件．
2.1 指数风剖面
对于城市郊区地形,采用上述规定建议的B类地貌指数风剖面,表达式为
(1)
式中：v(y)为高度y处的平均风速,m/s;Href为参考高度,m;vref为Href下的参考风速,m/s;n为地面粗糙度指数．
2.2 半对数风剖面
对于有高大建筑的城市市区地形,选取更为精确、适宜城市大气环境的半对数风剖面[7]．建筑平均高度以上采用对数分布函数,平均高度以下采用指数分布函数,其表达式为
(2)
(3)
式中:v*为摩擦速度,m/s;k为卡门常数,k=0.4;d为置换高度; z0为地形粗糙度;α为衰减系数,α=9.6λf，其中，λf为迎风面的建筑密度．
2.3 对数风剖面
对于建筑物相对密集且无高大建筑的城市市区地形,有日本学者提出城市粗糙子层(RSL)符合对数风剖面[9]．其表达式为
(4)
文中参考高度Href取建筑平均高度,Href=10 m．选取风力机额定风速作为参考风速vref=10 m/s,推算得摩擦速度v*=2 m/s;选取λf=0.2,推算得z0=0.821,d=3.937;选取n=0.3．拟合各个风剖面,图2为各入流条件风剖面示意图，图中Hhub为风轮轮毂中心的速度．
图2 各入流条件风剖面示意图
Fig.2 Inflow wind profiles
在参考风速vref=10 m/s情况下,3种入流条件下风轮轮毂(13 m)处的风速vhub大小有差别．其中,对数入流风速最大,vhub=14 m/s;半对数入流较小,vhub=12 m/s;指数入流最小,vhub=11 m/s．将上述3种入流函数采用User Defined Functions接口输入Velocity-inlet．
根据上述模型及计算方法,加载不同入流风剖面,对屋顶流场湍流特性及风轮输出功率进行计算分析．
3.1 流场特性分析
来流风受到建筑物的阻塞作用,在建筑物屋顶发生流体分离、再附着甚至回流等现象．图3为尖速比为5.5时不同入流条件下的轴向速度云图．
图3 各入流条件下沿流向截面的速度矢量云图
Fig.3 Velocity along flow under different inflow conditions
由图3可知，风流经建筑物时,在迎风面中上部(约2/3倍建筑高度)处风流体阻滞,在迎风面底部产生回流并在建筑中等偏高高度处产生较强旋涡,形成位移区．半对数入流形成的位移区范围最大,指数入流的范围较小,对数入流的范围最小．造成此种现象的原因是在建筑高度以下,同等高度时,对数入流的风速增长较其他2种入流快,因此速度阻滞程度较小．风流经建筑物,在建筑前沿点发生分离,随后沿流动方向再逐渐附着于屋顶,即形成分离区．指数入流分离区域范围较大,在近前沿处有微小回流发生,沿流动方向速度恢复较慢,在屋顶并未附着．对数入流较指数入流分离区稍小,风流体沿流动方向速度逐渐恢复,在屋顶中后部附着．半对数入流基本未产生分离区,风流体较快附着于屋顶．3种入流条件下,风力机均处于速度加速区,其中对数入流下的加速效果最为明显．在建筑背风面,3种入流均产生了旋涡和低风速区,但规律性不明显．
综上所述,3种入流条件下,风力机均处于加速区,城市市区地形的对数入流的加速效果最明显．风沿流动方向在建筑屋顶均发生分离、再附着或回流现象．其中,有高大建筑城市市区地形的半对数入流分离现象最轻,速度阻滞程度也较小．
3.2 屋顶流场湍流特性分析
根据IEC 61400-12-1标准定义:I≤10%为低湍流;10%≤I≤25%为中等湍流;I≥25%为高湍流．图4为各入流条件下湍流强度云图，图中I为湍流强度．
图4 各入流条件下沿流向截面的湍流强度云图
Fig.4 Turbulence intensity contour in flow directionunder different inflow conditions
由图4可以看出，指数入流的强湍流区域最大,由屋顶近前沿位置沿流动方向逐渐扩大,在屋顶中后部,强湍流区域高度达到最高．对数入流湍流区分布趋势与指数入流相似,但其强湍流区较小,高度也略低．半对数入流中湍流程度最低,基本没有强湍流区域的形成．风力机安装位置湍流强度均在10%左右,符合IEC 61400-12-1标准的风力机轮毂安装高度区域湍流强度不得大于25%的要求．
由图3，4可知,指数和对数入流中,风力机尾流均有一定程度的偏斜，而半对数入流风力机尾流偏斜程度不明显．其原因是建筑物的阻碍,风流体产生分离,并再附着或回流,接触到屋顶壁面时,向上排挤,使得风力机尾流产生偏斜．综上所述,3种入流条件下,风力机安装位置符合湍流强度标准．有高大建筑城市市区地形的半对数入流下湍流程度与其他2种入流条件相比较小,且风力机尾流未产生明显偏斜．
3.3 风轮输出功率分析
为进一步探究3种入流下风力机的出力情况,对风轮进行了不同入流不同尖速比条件下的功率计算,图5为功率与尖速比关系图，图中λ为尖速比，P为功率．
图5 功率与尖速比关系
Fig.5 Relationship between power and tip speed ratio
由图5可以看出，3种入流条件下风轮功率都是先增大后减小,在额定工况下达到最大,符合风力机气动特性的基本理论．由图2可知,对数入流下风轮轮毂处的风速大于其他2种入流,且其建筑集风效果明显,因此其风轮输出功率也略高．指数和半对数入流风轮轮毂处的风速略小,其风轮输出功率较对数入流略小．(注:文中所计算的为风轮输出功率,由于建筑集风效果,3种入流条件下风力机轮毂高度处的风速均大于风力机额定风速．)
针对平屋顶安装风力机,分别加载3种入流条件进行数值计算,分析不同入流对屋顶安装风力机流场及输出功率的影响．
1) 3种入流条件下，城市市区地形的对数入流加速效果最明显，且风机轮毂高度处的风速最大．风沿流动方向在建筑屋顶均发生分离、再附着或回流现象．其中,有高大建筑城市市区地形的半对数入流分离现象最轻,速度阻滞程度较小．
2) 3种入流条件下,有高大建筑城市市区地形的半对数入流的湍流程度与其他2种入流条件相比较小,且风力机尾流未产生明显偏斜．
3) 3种入流条件下,风力机功率都是先增大后减小,在额定工况下达到最大．城市市区地形的对数入流风轮轮毂处的风速大于其他2种入流,因此其功率也略高．
参考上述结论,因有高大建筑城市市区地形的半对数入流其流场分离、速度阻滞和湍流程度较小,适宜安装多台风力机,能节省成本,并可避免风力机结构破坏等问题．对于城市市区地形的对数入流,虽然其风速加速效果明显,风轮功率较大,但因分离、阻滞和湍流程度较大,若安装多台风力机,则需增加下游风力机的安装高度,以避开低风速、高湍流区．城市郊区地形的指数入流,加速效果较弱,湍流程度较高,风力机的安装将受到不利影响．
参考文献(：References)
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(责任编辑 朱漪云)
JING Kunyao1, WANG Jianwen1,2, ZHANG Liru1,2, HE Lingli2
(1.College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China; 2.Key Laboratory for Wind and Solar Power Energy Utilization Technology, Ministry of Education and Inner Mongolia Construction, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China)
Abstract：In the light of the complex and variable of terrain and wind energy on the the city building, the index, logarithmic and semilogarithmic wind profiles were established according to 3 kinds of typical surface roughness of urban and suburban to explore the influence of inflow condition on output po-wer of roof wind turbine.An S airfoil horizontal axis wind turbine was selected as the calculation model, which was mounted at the appropriate location on the flat roof. User Defined Functions were used to load three kinds of inflow conditions, and the turbulence characteristics of the flow field and the output power of the wind turbine were numerically calculated. The results show that under the index, the acceleration effect is smaller and the turbulence intensity is higher, not suitable for wind turbine installation. Although the power of wind turbine is higher under logarithmic inflow, turbulence intensity is bigger, the number of wind turbine installation and appropriate location will be reduced, and there exi-st the problems such as structural damage and cost increase. The flow separation,speed block and the turbulence intensity are all small under semi logarithmic inflow, the building wind-collecting effect is obvious, which is suitable to install more wind turbines, and can avoid the damage of wind turbine structure.
Key words：wind turbine;roof flow field;inflow conditions;turbulence intensity;output power
doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0201
收稿日期：2016-08-29;
网络出版：时间： 2017-04-01
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170401.1017.020.html
基金项目：内蒙古自然科学基金重大资助项目(2016ZD04)；内蒙古工业大学科学研究项目(ZD201407,ZD201404)
作者简介：景坤瑶(1990—)，女，河北保定人，硕士研究生(939071625@qq.com)，主要从事风能利用技术研究. 张立茹(1975—)，女，内蒙古赤峰人，副教授，博士(通信作者，zlr2001046@qq.com)，主要从事风能利用技术研究.
景坤瑶
中图分类号：TK89
文献标志码：A
文章编号：1674-8530(2017)04-0340-05
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