高层建筑屋顶风能利用研究

论文摘要

全国各地城市化的进程逐步加快,然而城市化带来的将是能源的巨大消耗。传统能源已经出现危机,除此之外,全球环境恶化带来的极端气候增加也给人类敲响了警钟。挖掘新能源,采用洁净、可再生的绿色能源是顺应节能减排号召的重要举措。风能正是具有这些特点而逐渐被各国重视。我国风力发电场主要设置在偏远人烟稀少的地区,而城市人口密度高耗能巨大,为了缓解这一问题考虑利用建筑对风流场的影响,将风力发电机置于屋顶,采取不同措施有效提高屋顶处风速以增加可利用风能。这一方法突破了传统风力集中器对建筑体型的高要求及严重的资源浪费,不仅大大节约成本,更为将来彻底实现风能发电进入千家万户奠定了基础。本文运用CFD数值模拟技术采用SSTk ?ω模型及相关理论,做出以下工作:分析建筑屋顶处风场的特点,整理总结前人已有研究成果,得到单个建筑和两个建筑时各种因素对绕流的影响,为研究如何在屋顶处提高风速利用风能做铺垫。在一规则高层建筑屋顶两侧增加同样尺寸的突出部分,称之为塔楼;分析其存在对屋顶处风速和风能利用的影响。此外,改变塔楼的外部尺寸如迎风面长度、高度、风向角等分别研究各因素对风能利用的优劣,并得出最佳风能利用高度。无法改变建筑形状时,考虑在建筑屋顶上方加设一水平顶板,顶板使得风场发生明显改变。通过调整顶板离屋面的高度来提炼出最好的风力机安装方式。最后本文还对一个行列式排列的建筑群进行了分析,研究在有建筑干扰情况下采取以上措施后屋顶风能的利用情况,结果显示可利用风能有相当显著的提高。这些研究更具普遍性和实用性,可为今后建筑风能利用以及风力机的技术发展作参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风能利用研究背景
• 1.3 风能研究现状
• 1.3.1 国外风环境研究概括
• 1.3.2 国内风环境研究概况
• 1.3.3 关于建筑风能的研究概况
• 1.4 目前建筑风能利用研究的不足及本文所做工作
• 参考文献
• 第二章 建筑屋顶风场特性及风能利用基本理论
• 2.1 建筑物屋顶处风场研究
• 2.1.1 单体建筑屋顶区域风场研究
• 2.1.2 两个建筑屋顶区域风场研究
• 2.2 风能利用基本知识
• 2.2.1 风能概念和其计算方法
• 2.2.2 风力机简介
• 2.3 本章小节
• 参考文献
• 第三章 CFD 数值模拟技术简介
• 3.1 CFD 求解步骤
• 3.2 湍流控制方程
• 3.3 数值模拟方法
• 3.3.1 直接数值模拟
• 3.3.2 大涡模拟
• 3.3.3 Reynolds 平均法
• 3.4 常用湍流模型
• 3.4.1 雷诺应力模型
• 3.4.2 涡粘系数模型
• 3.5 微分方程的计算方法
• 3.5.1 计算域网格划分
• 3.5.2 微分方程的离散及求解方法
• 3.5.3 结果收敛性判断
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 屋顶塔楼对风能利用的影响
• 4.1 数值风洞模型设置
• 4.1.1 建筑几何模型
• 4.1.2 数值风洞选取
• 4.1.3 边界条件
• 4.2 塔楼对屋顶风能利用影响数值分析
• 4.2.1 有无塔楼时建筑屋顶处风速分布情况对比
• 4.2.2 不同高度塔楼对风能利用的影响
• 4.2.3 不同长度塔楼对风能利用的影响
• 4.2.4 风向角对风能利用的影响
• 4.2.5 塔楼顶部风能利用可行性分析
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 加设不同高度架空层对风能利用的影响
• 5.1 模拟条件
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 加设不同高度架空层时的比较
• 5.2.1.1 0°风向角
• 5.2.1.2 90°风向角
• 5.2.1.3 顶板所受风压分析
• 5.2.2 建筑尺寸对屋顶风能利用的影响
• 5.2.2.1 长度的影响
• 5.2.2.2 宽度的影响
• 5.2.2.3 高度的影响
• 5.3 建筑群屋顶风能利用分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢