溫度對(duì)平行建筑物風(fēng)場(chǎng)的影響研究

劉子俊，袁曉冬，卜京，史明明

（1. 南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，

江蘇 南京 211100）

為解決能源和生態(tài)危機(jī)，國(guó)際組織和各國(guó)政府加大力度開(kāi)發(fā)新能源，尋求一條能源的可持續(xù)發(fā)展道路。在各種新能源中，風(fēng)能的儲(chǔ)量豐富，發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，安全性高，商業(yè)前景好。隨著風(fēng)電的飛速發(fā)展，風(fēng)資源良好且地形平坦便于安裝的大型風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)接近飽和，因此，人們不得不轉(zhuǎn)向風(fēng)資源一般、地形相對(duì)復(fù)雜的地區(qū)（山脊、山地、建筑物）來(lái)建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。

建筑物的拐角一般都比較尖銳，對(duì)于風(fēng)，建筑物表現(xiàn)為鈍體[1-2]。大氣在流經(jīng)建筑物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生下沖、角流、阻塞、狹管流、穿堂風(fēng)及尾流等效應(yīng)，建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)將變得十分復(fù)雜。風(fēng)經(jīng)過(guò)建筑物后，會(huì)產(chǎn)生局部高風(fēng)速區(qū)。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市建筑物中的風(fēng)資源越來(lái)越豐富，其中最好的利用形式為家用風(fēng)電[3-5]。普及家用風(fēng)電，必須對(duì)建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析，選取風(fēng)能狀況最優(yōu)秀的點(diǎn)安裝風(fēng)機(jī)。現(xiàn)階段，許多學(xué)者都對(duì)建筑物的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了研究：Stathopoulos研究了建筑物高度和風(fēng)向?qū)ㄖ镲L(fēng)場(chǎng)的影響[6]；Blocken等對(duì)建筑物通道的文丘里效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究[7]；劉輝志、陳飛等對(duì)城市高大建筑群的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬[8-9]。

目前，建筑風(fēng)場(chǎng)的分析主要是考慮障礙物和地面粗糙度的影響，并未考慮溫度對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)的影響[10-14]。由于光照和地表輻射等因素，地表附近的空氣與上層空氣會(huì)產(chǎn)生溫差，大氣層的穩(wěn)定度[15-18]也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，可能會(huì)引起大氣在垂直方向上的流動(dòng)，從而對(duì)建筑物周邊的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響。本文利用Fluent軟件，針對(duì)平行的兩個(gè)等大建筑物夾道的對(duì)稱面，分析了溫差對(duì)建筑物周邊風(fēng)場(chǎng)的影響。

1 數(shù)值模擬

建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬分析的正確性基于控制方程的選取，而確定控制方程則需要依賴于合適的流動(dòng)模型。本文研究中氣流的平均速度幾乎不隨時(shí)間變化，采用定常態(tài)的流動(dòng)模型；大氣邊界層中氣流是黏性、不可壓縮的流體，故采用黏性不可壓縮流動(dòng)模型；研究對(duì)象是溫差對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)的影響，應(yīng)考慮到能量交換，故采用能量守恒流動(dòng)模型。

1.1 幾何建模

建筑風(fēng)場(chǎng)的模型多種多樣，本文采用簡(jiǎn)化的平行建筑。在Fluent的前處理模塊GAMBIT中繪制如圖1所示的圖形，作為簡(jiǎn)化的兩個(gè)等大的互相平行的建筑物。其中，L=20 m，D=10 m，H=10 m，兩個(gè)建筑物之間的間距W=10 m，風(fēng)的來(lái)向沿X軸的正方向。

圖1 建筑模型Fig. 1 The model of the building

風(fēng)對(duì)建筑物的影響具有一定的范圍，超過(guò)一定的范圍，影響可以忽略，故可將數(shù)值模擬限定在一個(gè)三維區(qū)域內(nèi)。本文重點(diǎn)關(guān)注建筑物夾道內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)和建筑物之后的尾流，因此在Z軸和X軸需要足夠的空間，將計(jì)算域設(shè)定為10L×10D×5H，計(jì)算區(qū)域及建筑物布局的側(cè)視圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域側(cè)視圖Fig. 2 The lateral view of the calculation area

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

網(wǎng)格的類型和數(shù)量決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于要突出建筑物表面附近風(fēng)場(chǎng)的變化，因此對(duì)表面的網(wǎng)格劃分需進(jìn)行細(xì)化，采用自適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分；由于計(jì)算機(jī)性能的限制，不可能無(wú)限細(xì)分網(wǎng)格，本文通過(guò)測(cè)試，平衡計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果優(yōu)劣，選擇網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為1。圖3所示為網(wǎng)格劃分三維效果圖。

圖3 網(wǎng)格劃分三維效果圖Fig. 3 The 3D effect picture of meshing

Fluent是基于控制方程進(jìn)行求解的，而邊界條件的設(shè)置則是給定了控制方程的一組初值。具體邊界條件的設(shè)置如表1所示。由表1可知，本文考慮的溫差主要是建筑物表面與大氣的溫差以及地面與大氣的溫差，且溫差均為10°。

表1 邊界條件設(shè)置Tab. 1 The setting of the boundary conditions

1.3 湍流模型

大氣邊界層內(nèi)，氣流的運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，其流動(dòng)表現(xiàn)為湍流狀態(tài)。由不同尺度的渦體疊合而成的湍流在時(shí)間和空間上都具有很強(qiáng)的非線性和隨機(jī)性。湍流的隨機(jī)性是研究的難點(diǎn)，但隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展以及湍流模型的完善，對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬的可靠性越來(lái)越高。

本文采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。湍動(dòng)能k表征了湍流的脈動(dòng)程度大??；湍動(dòng)能耗散項(xiàng)ε為負(fù)值，反映湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能的能力。k、ε是刻畫湍流產(chǎn)生、發(fā)展和消散的重要特征量。k-ε模型在計(jì)算時(shí)會(huì)綜合考慮流場(chǎng)中各個(gè)點(diǎn)的湍動(dòng)能傳遞的歷史作用，可以用來(lái)求解一些復(fù)雜的流動(dòng)以及復(fù)雜的三維流場(chǎng)。為重現(xiàn)建筑物周邊大氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，來(lái)流面的湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散項(xiàng)取平均動(dòng)能的百分?jǐn)?shù)[19-21]：k=0.001u2，ε=k3/2/L，其中，u為來(lái)流平均風(fēng)速，L為湍流尺度，本文取經(jīng)驗(yàn)值k=0.02，ε=0.008。

2 模擬結(jié)果

由于地面上森林、山谷、建筑物等粗糙元的存在，風(fēng)吹過(guò)地面時(shí)其能量會(huì)減少，風(fēng)速降低。風(fēng)速值取決于粗糙度指數(shù)α，不同的地形對(duì)應(yīng)著不同的α，表2給出了幾種典型地形的α值，粗糙度指數(shù)α隨著固體邊界條件的粗糙度增大而增加。

表2 典型地形α值Tab. 2 The α of the typical terrain

本文定義入流面邊界條件為速度進(jìn)口，其垂直方向分布為

式中，u（h）為高度h處風(fēng)速；u（h0）為參考高度h0處的風(fēng)速，依據(jù)氣象數(shù)據(jù)，參考高度取10 m，風(fēng)速大小為5 m/s；α為0.4?；谠撊肓髅孢吔鐥l件進(jìn)行Fluent仿真計(jì)算，并分析。

2.1 仿真結(jié)果展示

選取中心對(duì)稱面M展示仿真結(jié)果的速度云圖和湍流強(qiáng)度云圖。圖4、圖5、圖6、圖7展示了無(wú)溫差和溫差為10°時(shí)，平面M的速度場(chǎng)分布和湍流強(qiáng)度分布。可以看出，考慮溫差后，建筑物周圍的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度分布都發(fā)生了一定程度變化，建筑物夾道對(duì)稱面的尾流區(qū)影響更為明顯。

圖4 無(wú)溫差時(shí)速度分布云圖Fig. 4 The velocity distribution of the plane M without temperature difference

2.2 風(fēng)速分布分析

本文在設(shè)置邊界條件時(shí)，進(jìn)口風(fēng)速是垂直于入流面的，在后續(xù)風(fēng)速比較中選取速度合值。在該平面上取距地高度為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m的線段分析溫差對(duì)風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的影響，所取線段為建筑物前方20 m至建筑物后方20 m，總長(zhǎng)50 m。圖8為無(wú)溫差時(shí)各直線風(fēng)速的分布；圖9為有溫差時(shí)各直線風(fēng)速的分布；圖10為各直線上有溫差與無(wú)溫差時(shí)的風(fēng)速差分布。風(fēng)速的大小是考量建筑物風(fēng)環(huán)境利用的第一因素，表2給出了各高度上最大風(fēng)速的大小及其出現(xiàn)的位置。

圖5 有溫差速度分布云圖Fig. 5 The velocity distribution of plane M with temperature difference

圖6 無(wú)溫差湍流強(qiáng)度分布云圖Fig. 6 The turbulence intensity distribution of plane M without temperature difference

圖7 有溫差時(shí)湍流強(qiáng)度分布云圖Fig. 7 The turbulence intensity distribution of plane M with temperature difference

由圖8和圖9可知：無(wú)論有無(wú)溫差，在建筑物夾道內(nèi)的對(duì)稱面上，同一位置隨著高度的增加，風(fēng)速在上升；在各高度上，風(fēng)速的走勢(shì)基本一致，大氣流經(jīng)建筑物夾道時(shí)由于空氣的擠壓會(huì)使風(fēng)速升高，隨著大氣向后流動(dòng)，風(fēng)速會(huì)逐漸下降。

圖10中顯示，對(duì)于建筑物夾道對(duì)稱面而言，在尾流區(qū)有溫差時(shí)，越靠近地面，溫差對(duì)風(fēng)速的增強(qiáng)越明顯；隨著高度的升高，溫差會(huì)減弱風(fēng)速。

圖8 無(wú)溫差時(shí)各直線上的風(fēng)速分布Fig. 8 The velocity distribution of each line without temperature difference

圖9 有溫差時(shí)各直線上的風(fēng)速分布Fig. 9 The velocity distribution of each line with temperature difference

圖10 各直線上的風(fēng)速差分布Fig. 10 The velocity difference of each line

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，溫差對(duì)最大風(fēng)速的位置沒(méi)有影響，但最大風(fēng)速會(huì)有小幅度的下降。

表3 最大風(fēng)速及位置Tab. 3 The value and location of the maximum wind speed

2.3 湍流強(qiáng)度分布分析

圖11、圖12分別展示了有無(wú)溫差時(shí)，各直線湍流強(qiáng)度的分布；圖13為各直線上有溫差與無(wú)溫差時(shí)的湍流強(qiáng)度差分布。由圖11和圖12可知：無(wú)論有無(wú)溫差，在建筑物夾道內(nèi)的對(duì)稱面上，同一位置湍流強(qiáng)度隨著高度的升高而減?。淮髿庠诹鹘?jīng)建筑物夾道時(shí)，由于大氣受到擠壓，湍流強(qiáng)度將會(huì)持續(xù)升高。

圖11 無(wú)溫差時(shí)各直線上的湍流強(qiáng)度分布Fig. 11 The turbulence intensity distribution of each line without temperature difference

圖12 有溫差時(shí)各直線上的湍流強(qiáng)度分布Fig. 12 The turbulence intensity distribution of each line with temperature difference

圖13中顯示，對(duì)于建筑物夾道對(duì)稱面而言，不同高度上，湍流強(qiáng)度差的曲線走勢(shì)基本相同；在尾流區(qū)有溫差時(shí)，越靠近地面，湍流強(qiáng)度差值越大。

圖13 各直線上的湍流強(qiáng)度差分布Fig. 13 The turbulence intensity difference distribution of each line

3 結(jié)論

現(xiàn)有的研究中，并未涉及到溫度對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)影響。本文基于Flunet的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，針對(duì)兩個(gè)等大的建筑物，考慮溫差進(jìn)行數(shù)值模擬。選取建筑物夾道對(duì)稱面作為對(duì)象，分析了該平面上不同高度風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的分布，結(jié)果表明溫差對(duì)建筑周圍的風(fēng)場(chǎng)確實(shí)存在影響。具體可歸納為：

1）在整個(gè)建筑物風(fēng)場(chǎng)中，溫差對(duì)其最大風(fēng)速出現(xiàn)的位置沒(méi)有影響，但會(huì)減弱最大風(fēng)速的值。

2）在建筑物夾道內(nèi)，大氣擠壓對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響遠(yuǎn)大于溫差引起的對(duì)流，故在大氣擠壓作用明顯減少的尾流區(qū)，溫差的影響尤其明顯。

3）在建筑物夾道的尾流區(qū)，越靠近地面，對(duì)風(fēng)速的加強(qiáng)作用越明顯；隨著高度的升高，會(huì)對(duì)風(fēng)速產(chǎn)生減弱的效果。

4）在建筑物夾道的尾流區(qū)，越靠近地面，溫差對(duì)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)越明顯。

本文選取的模型較為簡(jiǎn)單，在今后的研究中將選取更復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)來(lái)研究溫差對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)的影響，為建筑風(fēng)能的利用提供可靠的依據(jù)。

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