风电建筑一体化流场和载荷计算研究

　　摘　要：随着小风电的快速发展，风电与城市越来越近。越来越多的小型风力发电机安装在建筑物顶，构成风电建筑一体化应用。本文介绍了风力发电机组在建筑物顶应用时面临的风场选择，给出了风力发电机组在建筑顶部安装的载荷计算和加固方法。

　　1. 引言
　　早在1998 年，欧洲委员会开展了将风力发电引进城市的开发项目(WEB)。为达到项目要求，新设计或改进的装有风力发电机的建筑物至少有20% 的用电来自风力发电系统，项目组通过试验结果得出结论：建筑物造型应充分考虑如何能使风力发电机达到最大效率。建筑会扰乱空气流动而造成湍流，其表面设计须成曲线形，或者利用导管来保证风力能够顺畅地流向叶片。
　　将垂直轴风力发电机组安装在普通建筑物的屋顶上，可实现风力发电机组与建筑一体化设计。气流在建筑物影响下产生分离、涡脱落和振荡，导致有的区域风速下降，而有的风速增加的现象。大部分土木工程建筑物为非流线型，不具有良好的空气动力学性质，加剧了对风流场的局部扰动性。通过对建筑物周围的风流场分布图进行分析研究，获知屋顶以上部位的风速分布，为风力发电机在屋顶安装时避开风速低及风环境复杂的区域提供指导，进而利用产生的高风速区来实现风能利用的最大化。
　　此外，将风力发电机组安装在普通建筑物的屋顶上，使机组与建筑物成为一体。当原建筑物由于外界原因导致混凝土承重结构上的作用荷载发生较大变化时，必须根据该结构极限承载力作对应承重结构进行加固，以提高其承载能力。由于己有建筑物及构筑物的屋顶在设计时并未考虑风力发电机运行带来的影响，必须进行安全性能分析。首先用结构软件画出目标建筑物顶部结构的内力包络图，通过计算出风力发电机组在各   种工况下对屋顶的作用力，论证加固的必要性，选取合适的加固方法进行施工。
　　本文给出了风电建筑一体化过程中建筑物流场的变化规律和建筑物的加固方法。
　　2. 流场计算
　　2.1 流场研究方法
　　2.1.1 风洞试验方法。风洞试验方法是建筑室外风环境及风工程领域最早使用的方法，也是研究建筑结构抗风问题的传统手段，如图1 所示。在风洞中通过必要的手段产生类似于实际建筑周围的风场，布置在实际建筑物的缩尺模型，并在其表面及周围测量风速、风压等相关数据，研究建筑物不同地貌、体型、高层建筑的风压风速分布，以及不同高度比和相对位置的变化所产生的相互干扰影响。但是风洞试验模型制作费时费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑设计方案，而且缩小尺寸的试验模型并不总是能反映全比例结构的各方面特征。另外，在测点布置、同步测压等一系列问题上也有很多不足有待解决。由于风洞试验的成本等局限性，并且随着计算流体等方法的发展和计算机计算能力的提高，使用数值模拟方法来研究建筑室外流场也越来越多。
　　2.1.2 数值模拟方法。随着计算机的发展，数值模拟方法被用来研究风的三维扰流。
　　目前，国内外学者主要通过标准k-ε 湍流模型对稳态Navier-Stokes 方程进行封闭处理，再用离散化方法获得风场数值解，研究表明标准k-ε 湍流模型得到的建筑物正面风压值与风洞试验值吻合，但在建筑物背面及侧面计算值偏小，回流区域明显减小，存在较大误差。数值模拟方法具有成本低、速度快、具模拟真实和理想条件的能力、资料完备、易于进行参数分析等优点，但由于当前许多学者提出的各种湍流模型或多或少都对实际现象进行了简化，其研究大部分还集中于基础性的研究，缺少实际工程中复杂结构模拟计算研究，从而使数值模拟结果的可信度受到质疑。另一方面三维流场计算所带来的庞大计算量和对计算机性能的要求，虽然人们已经在计算方法的设计和湍流模型的发展上花费了巨大的精力，但是采用精度较高的直接模拟或大涡模拟的三维流场的计算量仍然超乎人们的承受力。
　　2.2 建筑气流场计算