温度对平行建筑物风场的影响研究

刘子俊，袁晓冬，卜京，史明明

（1. 南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094；2. 江苏省电力公司 电力科学研究院，

江苏 南京 211100）

为解决能源和生态危机，国际组织和各国政府加大力度开发新能源，寻求一条能源的可持续发展道路。在各种新能源中，风能的储量丰富，发电技术相对成熟，安全性高，商业前景好。随着风电的飞速发展，风资源良好且地形平坦便于安装的大型风电场开发接近饱和，因此，人们不得不转向风资源一般、地形相对复杂的地区（山脊、山地、建筑物）来建设风电场。

建筑物的拐角一般都比较尖锐，对于风，建筑物表现为钝体[1-2]。大气在流经建筑物时，会产生下冲、角流、阻塞、狭管流、穿堂风及尾流等效应，建筑物周围的风场将变得十分复杂。风经过建筑物后，会产生局部高风速区。随着城市化进程的推进，城市建筑物中的风资源越来越丰富，其中最好的利用形式为家用风电[3-5]。普及家用风电，必须对建筑物周围的风场进行分析，选取风能状况最优秀的点安装风机。现阶段，许多学者都对建筑物的风场进行了研究：Stathopoulos研究了建筑物高度和风向对建筑物风场的影响[6]；Blocken等对建筑物通道的文丘里效应进行了详细的研究[7]；刘辉志、陈飞等对城市高大建筑群的风环境进行了数值模拟[8-9]。

目前，建筑风场的分析主要是考虑障碍物和地面粗糙度的影响，并未考虑温度对建筑物风场的影响[10-14]。由于光照和地表辐射等因素，地表附近的空气与上层空气会产生温差，大气层的稳定度[15-18]也会相应发生变化，可能会引起大气在垂直方向上的流动，从而对建筑物周边的风场产生影响。本文利用Fluent软件，针对平行的两个等大建筑物夹道的对称面，分析了温差对建筑物周边风场的影响。

1 数值模拟

建筑物周围风场数值模拟分析的正确性基于控制方程的选取，而确定控制方程则需要依赖于合适的流动模型。本文研究中气流的平均速度几乎不随时间变化，采用定常态的流动模型；大气边界层中气流是黏性、不可压缩的流体，故采用黏性不可压缩流动模型；研究对象是温差对建筑物风场的影响，应考虑到能量交换，故采用能量守恒流动模型。

1.1 几何建模

建筑风场的模型多种多样，本文采用简化的平行建筑。在Fluent的前处理模块GAMBIT中绘制如图1所示的图形，作为简化的两个等大的互相平行的建筑物。其中，L=20 m，D=10 m，H=10 m，两个建筑物之间的间距W=10 m，风的来向沿X轴的正方向。

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

风对建筑物的影响具有一定的范围，超过一定的范围，影响可以忽略，故可将数值模拟限定在一个三维区域内。本文重点关注建筑物夹道内的风场和建筑物之后的尾流，因此在Z轴和X轴需要足够的空间，将计算域设定为10L×10D×5H，计算区域及建筑物布局的侧视图如图2所示。

图2 计算区域侧视图Fig. 2 The lateral view of the calculation area

1.2 网格划分及边界条件设定

网格的类型和数量决定了模拟结果的准确性。由于要突出建筑物表面附近风场的变化，因此对表面的网格划分需进行细化，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，不可能无限细分网格，本文通过测试，平衡计算时间和计算结果优劣，选择网格单元长度为1。图3所示为网格划分三维效果图。

图3 网格划分三维效果图Fig. 3 The 3D effect picture of meshing

Fluent是基于控制方程进行求解的，而边界条件的设置则是给定了控制方程的一组初值。具体边界条件的设置如表1所示。由表1可知，本文考虑的温差主要是建筑物表面与大气的温差以及地面与大气的温差，且温差均为10°。

表1 边界条件设置Tab. 1 The setting of the boundary conditions

1.3 湍流模型

大气边界层内，气流的运动杂乱无章，其流动表现为湍流状态。由不同尺度的涡体叠合而成的湍流在时间和空间上都具有很强的非线性和随机性。湍流的随机性是研究的难点，但随着计算机软硬件的发展以及湍流模型的完善，对建筑物风场的数值模拟的可靠性越来越高。

本文采用的湍流模型为标准的k-ε模型。湍动能k表征了湍流的脉动程度大小；湍动能耗散项ε为负值，反映湍流动能转换为热能的能力。k、ε是刻画湍流产生、发展和消散的重要特征量。k-ε模型在计算时会综合考虑流场中各个点的湍动能传递的历史作用，可以用来求解一些复杂的流动以及复杂的三维流场。为重现建筑物周边大气的运动过程，来流面的湍动能和湍动能耗散项取平均动能的百分数[19-21]：k=0.001u2，ε=k3/2/L，其中，u为来流平均风速，L为湍流尺度，本文取经验值k=0.02，ε=0.008。

2 模拟结果

由于地面上森林、山谷、建筑物等粗糙元的存在，风吹过地面时其能量会减少，风速降低。风速值取决于粗糙度指数α，不同的地形对应着不同的α，表2给出了几种典型地形的α值，粗糙度指数α随着固体边界条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

本文定义入流面边界条件为速度进口，其垂直方向分布为

式中，u（h）为高度h处风速；u（h0）为参考高度h0处的风速，依据气象数据，参考高度取10 m，风速大小为5 m/s；α为0.4。基于该入流面边界条件进行Fluent仿真计算，并分析。

2.1 仿真结果展示

选取中心对称面M展示仿真结果的速度云图和湍流强度云图。图4、图5、图6、图7展示了无温差和温差为10°时，平面M的速度场分布和湍流强度分布。可以看出，考虑温差后，建筑物周围的风速和湍流强度分布都发生了一定程度变化，建筑物夹道对称面的尾流区影响更为明显。

图4 无温差时速度分布云图Fig. 4 The velocity distribution of the plane M without temperature difference

2.2 风速分布分析

本文在设置边界条件时，进口风速是垂直于入流面的，在后续风速比较中选取速度合值。在该平面上取距地高度为1 m、3 m、5 m、7 m、9 m的线段分析温差对风速和湍流强度的影响，所取线段为建筑物前方20 m至建筑物后方20 m，总长50 m。图8为无温差时各直线风速的分布；图9为有温差时各直线风速的分布；图10为各直线上有温差与无温差时的风速差分布。风速的大小是考量建筑物风环境利用的第一因素，表2给出了各高度上最大风速的大小及其出现的位置。

图5 有温差速度分布云图Fig. 5 The velocity distribution of plane M with temperature difference

图6 无温差湍流强度分布云图Fig. 6 The turbulence intensity distribution of plane M without temperature difference

图7 有温差时湍流强度分布云图Fig. 7 The turbulence intensity distribution of plane M with temperature difference

由图8和图9可知：无论有无温差，在建筑物夹道内的对称面上，同一位置随着高度的增加，风速在上升；在各高度上，风速的走势基本一致，大气流经建筑物夹道时由于空气的挤压会使风速升高，随着大气向后流动，风速会逐渐下降。

图10中显示，对于建筑物夹道对称面而言，在尾流区有温差时，越靠近地面，温差对风速的增强越明显；随着高度的升高，温差会减弱风速。

图8 无温差时各直线上的风速分布Fig. 8 The velocity distribution of each line without temperature difference

图9 有温差时各直线上的风速分布Fig. 9 The velocity distribution of each line with temperature difference

图10 各直线上的风速差分布Fig. 10 The velocity difference of each line

从表3中可以发现，温差对最大风速的位置没有影响，但最大风速会有小幅度的下降。

表3 最大风速及位置Tab. 3 The value and location of the maximum wind speed

2.3 湍流强度分布分析

图11、图12分别展示了有无温差时，各直线湍流强度的分布；图13为各直线上有温差与无温差时的湍流强度差分布。由图11和图12可知：无论有无温差，在建筑物夹道内的对称面上，同一位置湍流强度随着高度的升高而减小；大气在流经建筑物夹道时，由于大气受到挤压，湍流强度将会持续升高。

图11 无温差时各直线上的湍流强度分布Fig. 11 The turbulence intensity distribution of each line without temperature difference

图12 有温差时各直线上的湍流强度分布Fig. 12 The turbulence intensity distribution of each line with temperature difference

图13中显示，对于建筑物夹道对称面而言，不同高度上，湍流强度差的曲线走势基本相同；在尾流区有温差时，越靠近地面，湍流强度差值越大。

图13 各直线上的湍流强度差分布Fig. 13 The turbulence intensity difference distribution of each line

3 结论

现有的研究中，并未涉及到温度对建筑物风场影响。本文基于Flunet的标准k-ε湍流模型，针对两个等大的建筑物，考虑温差进行数值模拟。选取建筑物夹道对称面作为对象，分析了该平面上不同高度风速和湍流强度的分布，结果表明温差对建筑周围的风场确实存在影响。具体可归纳为：

1）在整个建筑物风场中，温差对其最大风速出现的位置没有影响，但会减弱最大风速的值。

2）在建筑物夹道内，大气挤压对风场的影响远大于温差引起的对流，故在大气挤压作用明显减少的尾流区，温差的影响尤其明显。

3）在建筑物夹道的尾流区，越靠近地面，对风速的加强作用越明显；随着高度的升高，会对风速产生减弱的效果。

4）在建筑物夹道的尾流区，越靠近地面，温差对湍流强度的增强越明显。

本文选取的模型较为简单，在今后的研究中将选取更复杂的建筑结构来研究温差对建筑物风场的影响，为建筑风能的利用提供可靠的依据。

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