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建筑物对风能集结强化的研究

郝文兰  
【摘要】:随着全球经济的发展,能源消耗量的增加造成能源短缺,再加上传统的化石能源消耗对全球气候和生存环境有很大的负面效应。人类面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战,在化石能源逐渐枯竭和环境问题日益突出的双重制约下,人们越来越认识到开发绿色能源的重要性。风能不但是一种清洁、无污染的可再生能源,而且在建筑环境中利用风能还具有免于输送的优点。但是大部分地区风速较小达不到风力发电机满发的风速要求,要想提高风力发电机的输出功率就需要从提高风速入手。 本文以建筑环境中的风能利用为背景,采用理论分析、数值模拟和风洞实验相结合的方法,分别研究了不同的建筑物屋顶的形状和集风器结构尺寸对风速的增大效果,并对集风器作为风力强化与集结的载体在建筑屋顶上的安装位置对风速相关系数的增大情况进行了模拟分析,得到了有效增大单位面积风能利用效率的集风结构。 本文采用重整化群k-ε湍流模型,通过特殊的建筑结构使风速增大,从而提高发电机功率输出,实现在有限的环境中将风力利用最大化。首先对平屋顶、双斜面屋顶、半圆形屋顶、单斜面屋顶和弧线屋顶的流场进行了模拟分析。研究表明:弧线屋顶提高风能利用效果最显著,平屋顶、单斜面屋顶的风力集结效果较差;对于弧线形状的屋顶建筑还分析了屋顶弧线度的不同以及建筑进深方向的不同对风的集结效果,得到了强化集风效果和风能利用效果最好的建筑屋顶形状;此外本文重点研究了集风器的结构尺寸对风速相关系数的影响,分析了集风器的迎风高度、外壁面的弧形高度对风的集结效果的影响,进一步分析了集风器的通道弧度和通道中心部位直通道的长度对风的增大情况影响;最后对集风器在屋顶的安装位置对风能的集结强化效果进行了分析。 在理论分析和数值模拟的基础上,研究表明弧度为0.3~0.6的屋顶对风集结效果比较好,集风器喉部尺寸为2.6m,长度尺寸为10m,迎风口开口高度为3m~6m时风速相关系数比较大,集风器安装在距离屋顶中心沿高度方向上的两米处风速增大的最为明显。基于不同弧度的屋顶和不同尺寸的集风器对风速增大效果的结论,本文对风速增大效果较好的弧线屋顶、集风器以及集风器安装在屋顶上的模型进行了测试。将得到的数值结果和实验测量的结果进行比较,模拟值与实验值基本吻合,因此,数值模拟能够作为建筑物周围复杂流场分析的有力手段。


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