風(fēng)電建筑一體化流場(chǎng)和載荷計(jì)算研究

　　摘　要：隨著小風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電與城市越來越近。越來越多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在建筑物頂，構(gòu)成風(fēng)電建筑一體化應(yīng)用。本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在建筑物頂應(yīng)用時(shí)面臨的風(fēng)場(chǎng)選擇，給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在建筑頂部安裝的載荷計(jì)算和加固方法。

　　1. 引言
　　早在1998 年，歐洲委員會(huì)開展了將風(fēng)力發(fā)電引進(jìn)城市的開發(fā)項(xiàng)目(WEB)。為達(dá)到項(xiàng)目要求，新設(shè)計(jì)或改進(jìn)的裝有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建筑物至少有20% 的用電來自風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，項(xiàng)目組通過試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：建筑物造型應(yīng)充分考慮如何能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最大效率。建筑會(huì)擾亂空氣流動(dòng)而造成湍流，其表面設(shè)計(jì)須成曲線形，或者利用導(dǎo)管來保證風(fēng)力能夠順暢地流向葉片。
　　將垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在普通建筑物的屋頂上，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與建筑一體化設(shè)計(jì)。氣流在建筑物影響下產(chǎn)生分離、渦脫落和振蕩，導(dǎo)致有的區(qū)域風(fēng)速下降，而有的風(fēng)速增加的現(xiàn)象。大部分土木工程建筑物為非流線型，不具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，加劇了對(duì)風(fēng)流場(chǎng)的局部擾動(dòng)性。通過對(duì)建筑物周圍的風(fēng)流場(chǎng)分布圖進(jìn)行分析研究，獲知屋頂以上部位的風(fēng)速分布，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)在屋頂安裝時(shí)避開風(fēng)速低及風(fēng)環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域提供指導(dǎo)，進(jìn)而利用產(chǎn)生的高風(fēng)速區(qū)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用的最大化。
　　此外，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在普通建筑物的屋頂上，使機(jī)組與建筑物成為一體。當(dāng)原建筑物由于外界原因?qū)е禄炷脸兄亟Y(jié)構(gòu)上的作用荷載發(fā)生較大變化時(shí)，必須根據(jù)該結(jié)構(gòu)極限承載力作對(duì)應(yīng)承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以提高其承載能力。由于己有建筑物及構(gòu)筑物的屋頂在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行帶來的影響，必須進(jìn)行安全性能分析。首先用結(jié)構(gòu)軟件畫出目標(biāo)建筑物頂部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，通過計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在各   種工況下對(duì)屋頂?shù)淖饔昧Γ撟C加固的必要性，選取合適的加固方法進(jìn)行施工。
　　本文給出了風(fēng)電建筑一體化過程中建筑物流場(chǎng)的變化規(guī)律和建筑物的加固方法。
　　2. 流場(chǎng)計(jì)算
　　2.1 流場(chǎng)研究方法
　　2.1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)方法。風(fēng)洞試驗(yàn)方法是建筑室外風(fēng)環(huán)境及風(fēng)工程領(lǐng)域最早使用的方法，也是研究建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)問題的傳統(tǒng)手段，如圖1 所示。在風(fēng)洞中通過必要的手段產(chǎn)生類似于實(shí)際建筑周圍的風(fēng)場(chǎng)，布置在實(shí)際建筑物的縮尺模型，并在其表面及周圍測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)壓等相關(guān)數(shù)據(jù)，研究建筑物不同地貌、體型、高層建筑的風(fēng)壓風(fēng)速分布，以及不同高度比和相對(duì)位置的變化所產(chǎn)生的相互干擾影響。但是風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髻M(fèi)時(shí)費(fèi)力，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，難以同時(shí)研究不同的建筑設(shè)計(jì)方案，而且縮小尺寸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉豢偸悄芊从橙壤Y(jié)構(gòu)的各方面特征。另外，在測(cè)點(diǎn)布置、同步測(cè)壓等一系列問題上也有很多不足有待解決。由于風(fēng)洞試驗(yàn)的成本等局限性，并且隨著計(jì)算流體等方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，使用數(shù)值模擬方法來研究建筑室外流場(chǎng)也越來越多。
　　2.1.2 數(shù)值模擬方法。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被用來研究風(fēng)的三維擾流。
　　目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型對(duì)穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes 方程進(jìn)行封閉處理，再用離散化方法獲得風(fēng)場(chǎng)數(shù)值解，研究表明標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型得到的建筑物正面風(fēng)壓值與風(fēng)洞試驗(yàn)值吻合，但在建筑物背面及側(cè)面計(jì)算值偏小，回流區(qū)域明顯減小，存在較大誤差。數(shù)值模擬方法具有成本低、速度快、具模擬真實(shí)和理想條件的能力、資料完備、易于進(jìn)行參數(shù)分析等優(yōu)點(diǎn)，但由于當(dāng)前許多學(xué)者提出的各種湍流模型或多或少都對(duì)實(shí)際現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其研究大部分還集中于基礎(chǔ)性的研究，缺少實(shí)際工程中復(fù)雜結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算研究，從而使數(shù)值模擬結(jié)果的可信度受到質(zhì)疑。另一方面三維流場(chǎng)計(jì)算所帶來的龐大計(jì)算量和對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求，雖然人們已經(jīng)在計(jì)算方法的設(shè)計(jì)和湍流模型的發(fā)展上花費(fèi)了巨大的精力，但是采用精度較高的直接模擬或大渦模擬的三維流場(chǎng)的計(jì)算量仍然超乎人們的承受力。
　　2.2 建筑氣流場(chǎng)計(jì)算