集成立轴风机的高层风能建筑流场数值分析

【摘要】：风力机与建筑一体化作为节能减排的新型建筑形式,在倡导发展绿色建筑和低碳经济的今天具有十分积极的意义。本文首先采用大涡模拟对立轴风力机与高层建筑一体化流场进行三维静态湍流数值模拟,得到了在有、无风力机及不同风速时建筑物横风向力功率谱、表面风压分布特性;其次采用标准k??湍流模型并结合“动网格技术”,对立轴风力机与高层建筑一体化流场进行二维动态数值模拟,得到了风力机的转矩系数及其流场特性。所有的计算结果表明:(1).在不同风速下,有、无风力机的建筑模型的(分别是方形、凹角)横风向力功率谱均存在明显的谱峰,并呈现单峰状;通过对有、无风力机凹角建筑物脱涡频率的对比,发现在同一风速下,随着来流与风力机叶片夹角的增加,脱涡频率加快,且无风力机的脱涡频率明显大于有风力机的脱涡频率,说明风力机的存在改善了流场结构,削弱了风荷载对建筑物的影响。(2).在不同风速下,有无风力机的建筑物迎风面的风压均为正值,而侧风面及背风面的风压均为负值,迎风面中间点处的风压系数达到最大,靠近两边逐渐减小;无风力机的凹角建筑其凹角处的风压全为负值,而有风力机的建筑,在安装风力机的位置处其风压有正有负,因此在结构设计或施工时需要重视由风力机引起的风压变化可能导致的建筑物表面局部破坏。(3).在不同风速下,风力机不同周向转矩系数按周期性的正、余弦曲线变化,且迎风面拐角处的转矩系数普遍高于背风面拐角处的转矩系数,说明迎风面处的风力机对风能的利用率较高。本文通过对有、无风力机的建筑物在不同工况下的流场进行静态及动态数值模拟,得到了详细的流场结构;并分析了有、无风力建筑的横风向力功率谱、风压系数及转矩系数。从而更好的判断风荷载对建筑物的影响,为进一步探索和应用风能建筑提供了借鉴和参考。 【关键词】：大涡模拟 k??模型 立轴风力机 高层建筑 风荷载 转矩系数
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU973.213;TK83
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 选题背景9
• 1.2 风能建筑现状9-15
• 1.2.1 风力机与建筑一体化的由来9-10
• 1.2.2 风力机与建筑相结合的优点10-11
• 1.2.3 风力机安放与高层建筑风力特点11-12
• 1.2.4 风力机的分类及比较12-15
• 1.3 国内外研究现状15-18
• 1.4 本论文的主要工作18-20
• 2 数值模拟计算理论及方法20-30
• 2.1 流体流动的控制方程20-23
• 2.1.1 质量守恒方程20
• 2.1.2 动量守恒方程20-23
• 2.2 湍流及湍流计算模型23-28
• 2.2.1 湍流的基本特征23-24
• 2.2.2 湍流计算模型24-28
• 2.3 CFD常用的数值模拟方法28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 集成立轴风机的高层建筑绕流流场分析30-70
• 3.1 数值计算方法可靠性分析30-33
• 3.1.1 数值方法30
• 3.1.2 物理模型及计算区域30
• 3.1.3 网格划分30-32
• 3.1.4 边界条件定义32
• 3.1.5 求解器设定32
• 3.1.6 计算结果分析32-33
• 3.2 立轴风机与高层建筑一体化数值分析33-69
• 3.2.1 数值方法33
• 3.2.2 物理模型及计算区域33-36
• 3.2.3 网格划分36-37
• 3.2.4 边界条件定义及求解器设定37-38
• 3.2.5 计算结果分析38-69
• 3.2.5.1 建筑结构周围流场数值计算结果及分析38-50
• 3.2.5.2 建筑物频域特性分析50-55
• 3.2.5.3 建筑表面风压分布特性分析55-69
• 3.3 本章小结69-70
• 4 高层建筑立轴风机的旋转非定常流场分析70-81
• 4.1 控制方程和滑移网格模型70-71
• 4.1.1 控制方程70
• 4.1.2 滑移网格模型70-71
• 4.2 物理模型及计算区域71
• 4.3 网格划分71-72
• 4.4 边界条件定义72-73
• 4.5 求解器设定73-74
• 4.6 计算结果分析74-80
• 4.6.1 同一风速各风力机不同周向转矩系数对比74-76
• 4.6.2 同一风力机不同风速时不同周向转矩系数对比76-77
• 4.6.3 不同风速时速度等值线图对比77-78
• 4.6.4 不同风速涡量图对比78-80
• 4.7 本章小结80-81
• 结论81-84
• 展望84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-91
• 附录 A91-93
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文93

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