建筑环境中的有效风能利用研究

论文摘要

随着传统化石能源的逐步耗竭,能源问题越来越突出的摆在了人类面前,开发可再生的绿色能源是社会可持续发展的必由之路。风能作为一种清洁、无污染的可再生能源,已受到世界各国的高度关注。在建筑环境中利用风能具有免于输送的优点,所得风能可直接用于建筑本身和所在小区。本文以建筑环境中的风能利用为背景,采用理论分析、CFD数值模拟和风洞试验相结合的方法,分析建筑周围空气流动的基本状况,研究了在建筑环境中将建筑物作为风力强化与集中的载体时风速增强、风力集结的效果。本文主要对非流线体建筑、平板型建筑、扩散体建筑周围如何利用风能进行了详尽地讨论与分析。对于非流线体建筑,首先对加集风墙的建筑进行了模拟分析,得到了强化集风效果和风能利用效果最佳的集风墙形式,并对集风墙的位置做出优化,此外还对建筑物的长度,高度和宽度对风能利用效果的影响进行了分析,并分析了香港,广州,上海,济南各地最高楼并结合当地的气象条件的楼顶发电情况；对于平板型建筑,对平板型式建筑设通道形式进行了优化分析,得到了有利于风能利用的通道型式。在对流线体形建筑物周围的风场进行数值计算的基础上,并分别对由相同尺寸的扩散体建筑组成的两个和六个建筑物的不同排列形式进行了模拟分析,得到了有效利用风能的布局方式。在理论分析和数值模拟的基础上,建立了建筑风能风洞试验台,对立方柱双体、半圆柱扩散体和设集风墙的非流线体建筑模型进行了多工况的风洞试验测试与研究。试验结果表明,建筑物屋顶加集风墙有强化风效应,立方柱双体、半圆柱扩散体建筑在对称轴成22.5度时风力集结效果最好。通过对试验数据与模拟数据的比较和分析看出,风洞试验得到的数据与模拟结果较为吻合,试验验证了数值模拟结果的准确性,为建筑环境中风能利用的研究奠定了可靠的基础。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法较为系统地研究了在建筑环境中不同的建筑形式利用风能的相关规律,对工程实践具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 风能利用及风力发电的理论基础
• 2.1 风的形成及风速计算
• 2.2 风能密度和风能的计算
• 2.3 风能资源的储量及其分布
• 2.4 风力机工作原理
• 2.5 新类风机
• 2.6 本章小结
• 第3章 建筑环境中风环境的特点及研究方法
• 3.1 城市风环境的特点
• 3.2 风绕建筑物流动的特性
• 3.3 建筑风环境的研究方法
• 3.4 建筑绕流数值模拟理论及CFD介绍
• 3.5 本章小结
• 第4章 建筑环境中风能利用的数值模拟研究
• 4.1 风能利用基本建筑形式的数值计算
• 4.2 非流线型建筑物加集风墙开风洞数值模拟结果及分析
• 4.3 非流线体型高层建筑数值模拟结果及分析
• 4.4 扩散体建筑数值模拟结果及分析
• 4.5 平板型建筑数值模拟结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 风能利用与建筑一体化的风洞试验
• 5.1 试验装置及测量方法
• 5.2 相似性准则
• 5.3 测点的选择以及试验步骤
• 5.4 试验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 有待进一步解决的问题
• 参考文献
• 后记
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况