建筑物尾流区风资源利用的数值模拟
刘子俊;卜京;孙健;朱卫平
【摘要】ABSTRACT:This paper is based on Flunet and the standard k-
εturbulence model is used to calculate the wind field around adjacent buildings with different heights. The paper analyzes how the height difference affects the wake area of the upstream building. First,under the same downstream building height, the further from the front of the building,the smaller the wind speed ratio will be. Second,in the wake area
of the upstream building,with the increase of the downstream building height, the peaks of the wind speed ratio will rise accordingly. The inlet wind speed is assumed as 5 m/s,the output power of the wind turbine under different downstream building heights are compared based on a small scale wind turbine EW1000. It can be seen that when the downstream building is low,the wind speed where the wind turbine installed is lower than the start-up wind speed;with the increase of altitude,the output power increases.%基于Fluent软件，利用标准的湍流模型，针对不等高的相邻建筑物建模，下游建筑物完全处于上游建筑物尾流区内，分析了上下游建筑物高度差对上游建筑物尾流区的影响：同一下游建筑高度下，越远离建筑物前沿，风速比越小；在上游建筑物尾流区内，随着下游建筑物高度的升高，风速比的峰值会相应升高。假定进口风速为5 m/s，结合1000 W的小型风机，比
较了下游建筑物不同高度下风机的输出功率，可知：当下游建筑物较低时，风机安装位置风速低于启动风速；随着下游建筑高度的升高，输出功率提升。
【期刊名称】《电网与清洁能源》
【年(卷),期】2014(000)009
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】尾流区;建筑物高度差;风速比;输出功率
【作者】刘子俊;卜京;孙健;朱卫平
【作者单位】南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094;南京理工大学自动化
学院，江苏南京 210094;江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211100;江
苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211100
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
随着城市化进程的推进，一方面，城市用电负荷日益增大，用电日益紧致；另一方面，随着建筑物的密集，建筑物中的风资源越来越丰富，给建筑物风能利用带来了一个契机。风速是影响建筑物风能利用的首要因素，其利用效能必须建立在准确预测建筑物风环境的基础之上，主要方法包括实地测量、风洞实验和数值模拟[1-4]，最常用的方法是基于CFD软件的数值模拟。
近年来，国内外学者在模拟预测建筑物风环境及其利用方面进行了诸多的研究。文献[5]建造了屋顶风能系统，利用建筑物对风资源的强化作用在屋顶安装风力发电机；文献[6]Stathopoulos研究了建筑物高度和风向对建筑物风场的影响；文献[7]对建筑物通道进行了研究，重点分析了其文丘里效应；文献[8]以圆柱体和三棱柱
体为模型，研究了钝体近尾流区的特性，指出钝体尾流的流动结构由流动的稳定性
所控制；文献[9]基于CFD软件对高层建筑群风场进行数值模拟分析，对建筑群的布局提供了指导意见。
大气在流经建筑物后，会产生几倍于建筑物高度尾流区。尾流区的风速低、湍流高，不适合利用，但随着建筑物越来越密集，下游建筑物必然会存在于上游建筑物的尾流区之内，上游建筑物的尾流区会受到影响，合理的高度差会提高上游建筑物尾流区风能的利用效率[10-15]。目前，尾流区风能的利用研究较少，本文基于Fluent 软件，利用标准的k-ε湍流模型分析了单个建筑物尾流区流场的分布情况，并针对前后排列的两个建筑进行建模，通过仿真分析不同高度差对上游建筑物尾流区流场的影响，指出建筑物的合理高度差可以提高风能利用效率。
1 建模仿真
1.1 建模
在Gambit中建模，需划分两个区域：建筑模型与流体区域。本文主要研究对象
为建筑物尾流区。为使尾流充分伸展，建筑物背面的区域要足够大[16-17]，图1
所示为计算区域的侧视图（xoy面）。建筑物简化为两个长方体，建模时，除下游建筑物高度H外，其余都是定值：上游建筑物规模为20×20×10，下游建筑物规
模为20×20×H，计算区域为100×200×50。当下游建筑物过高时，会超出上游
建筑物尾流区，对尾流区的研究就失去意义。建筑物的尾流区的高度约两倍于建筑物自身的高度，故本文H取5、10、12、14、16、18，两建筑物间隔为10。
图1 计算区域布局侧视图Fig. 1 The lateral view of the calculation area
网格的类型和数量决定了模拟结果的准确性。本文需要突出建筑物表面附近及其尾流区风场的变化，采用自适应性强的非结构性网格划分；由于计算机性能的限制，只能在计算机硬件条件允许的情况下尽可能细分网格。网格划分的效果图如图2、图3所示。
图2 网格划分三维效果图Fig. 2 The 3D effect picture of meshing
