案例分析 | 使用Cradle CFD评估韩国摩天大楼中的风力涡轮机

作者：Jonas Wirgart, PMM Cradle CFD

世界上最高的建筑是阿联酋迪拜的哈利法塔,高达829.8米（2722英尺），与大多数此类建筑物一样，坐落于人口密集的城市地区。这会影响建筑物周围的风向及当地的环境。但是，这样的高层建筑也为规划者和设计师提供了一个机会，需要重新考虑设计，考虑在城市景观中产生可再生能源的可持续性问题。由韩国能源研究所和CEDIC Ltd（ref 1）领导的研究人员使用Cradle CFD的计算流体动力学（CFD）工具进行了一些基础研究，研究了这种摩天大楼中的建筑物集成风力涡轮机（BIWT）的可行性，以此给局部地区发电，降低碳排放。

可再生能源是可持续和环保能源生产的一个明显的标志，如果可以将其集成到建筑物中，在源头使用并且在设计阶段可行，那么它将是未来的一个重大可持续性创新。作者（ref1）首先研究了巴林世界贸易中心，该建筑于2008年建成，被认为是第一个现代BIWT。它有一个240 m，50层高的，具有对称三角形的双子大楼，其形状和布局旨在利用风能，而不仅仅是将风力涡轮机集成到建筑物中（见图 1）。

（a）风力涡轮机正面的照片；

（b）地面上方100 m的垂直横截面上的风速云图

（来自作者的CFD分析）

图 1. 巴林世界贸易中心流量分析

它被认为是建筑物增强型风力涡轮机（BAWT），是一种比BIWT更激进的概念。如建筑物照片所示，并根据Cradle CFD的分析结果，在连接三角形双塔的桥上安装了直径29 m，容量225 kW的3叶片水平轴风力涡轮机，该桥以内角对称 大约120° 由于巴林世界贸易中心位于阿拉伯海岸附近，因此建筑物的中心会发生经典的“文丘里”效应，当海风吹拂建筑物时，风将加速通过双子塔形成的喉部。通过这种众所周知的现象来提高风力发电的效率。三台涡轮机每年的发电量占建筑物能耗的13％；容量系数约为22％。

另一项使用Cradle CFD进行流体流动分析的案例是2011年在英国伦敦建造的Strata SE1建筑物，是一栋 148 m高，43层的住宅，将三台19 kW容量的屋顶水平轴风力涡轮机集成到其中（图2）。该建筑具有独特的外观，已获得多项建筑设计奖。但是，英国媒体对风力涡轮机关注很少。尽管市民认为风力涡轮机应该连续运转，但伦敦的风速普遍较低，以及其所在的地形，导致风力涡轮机未到达预期的效果。

（b）在水平横截面上的风速云图（顶部）和通过孔的流线（底部）

（来自作者的CFD）

图 2. Strata SE1公寓的流量分析

团队的主要CFD研究基于在首尔建造的一座新高层建筑，这是世界上第八高的独立式建筑，即乐天世界大厦。首尔是韩国最大的大城市之一，人口达一千万，但与沿海韩国城市相比，内陆地区的风向稍弱。因此，研究人员需要进行风能资源评估，以评估这座位于市中心的555 m的高层BIWT的潜在性能。在这样的高度下，执行原位测量非常复杂。因此，需要采用诸如LIDAR和SODAR的地面远程传感器来进行风力资源评估。

此外，需要设计一种数值天气预报（NWP）模型和度量相关预测（MCP）方法，扩展通过遥感测得的短期数据，以产生多年来的风力数据。然后，使用三维地理信息系统（GIS）数据库和Cradle CFD来预测建筑物对盛行风的影响以及BWIT的可行性。团队的工作流程如图3所示，完整的细节可以在他们所做的工作的原始论文中找到（参考文献 1）。

图 3: 使用RS–NWP–CFD对高层BIWT进行风力

资源评估的程序

由于种种限制，研究中的遥感活动持续了两个月。他们采取的第二步是创建风能图，显示塔架安装区域中风能的空间变异性，从而确定涡轮机的布局。为了进行风力资源映射，首先使用CFD，模拟了按风向在目标区域的风流场。在这种情况下，总共模拟了16个风向.第三步是选择一种风力涡轮机并确定最佳布局。尽管如果将风力涡轮机安装在最高风能密度位置可以使能量产生最大化，但是还需要考虑尾流损失。建筑物建成后，乐天世界塔周围的风场会使该地区的气流变形。使用Cradle CFD的Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)湍流模型CFD软件SC / Tetra v12模拟了风流场。

它是一种基于有限体积法的压力基求解器，采用SIMPLEC算法进行压力-速度耦合，并采用二阶QUICK迎风方案求解对流项。创建了一个用于计算域的9000万个非结构化混合网格，以覆盖乐天世界大厦周围6 km×6 km×2.5 km的区域。为了进行验证，模拟了有/没有乐天世界塔的主风向（WNW）。CFD分析采用了MP k–ɛ湍流模型（改良k–ɛ湍流模型），预测作为城市街道的立方块结构中的流动分离。

图 4. 乐天世界塔周围行人高度处

风速分布：水平（左）；垂直（右）

截面风速可变性：（上）没有塔架；（下）有塔架

图4比较了主要风向情况的仿真结果，揭示了乐天世界大厦建造前后在行人高度和沿主要风向（WNW）的垂直截面风速变化的情况 。CFD分析结果仅考虑了乐天世界大厦，包括所有周围的建筑物，表明该大厦的屋顶受到周围建筑物的影响很小（小于风速的3％），尽管行人高度风速在很大程度上被乐天世界大酒店（面积约75％；图4中的左等高线图）增强了。这也可以从图4右侧垂直横截面图中的风速变化中看出。通过排除周围的建筑物，可以显著减少仿真中的计算负载。

团队使用CFD为总共16个风向扇区创建单独的风图，然后使用风气候数据对预测值进行加权。CFD结果与LIDAR测量值之间达成了良好的一致性。但是，当在塔顶上使用各种配置的涡轮机进行研究时，CFD的预测并没有显示出很好的发电能力。即使考虑了建筑物形状的变化，通过研究可以预测的最佳能力系数仅为7％，因此认为BIWT在经济性上并不可行。塔没有集成安装风力涡轮机。

研究人员的发现，意味着乐天世界大厦并未考虑BIWT。但是，他们结合了RS，NWP和Cradle CFD，为高层BIWT建立了强大的风能资源评估程序。 表明，地面遥感的数据恢复率急剧下降，通过NWP和MCP方法进行长期校正，至少要对满风气候数据进行一年的重建是非常重要的。此外，预计需要执行更长的遥感测量来减轻由风气候的季节性变化引起的不确定性。

研究表明，风况可能会随着建筑物的形状而发生变化，因此需要进行CFD仿真以准确分析建筑物形状的影响。修改建筑物的形状确实显示出功率密度最多可提高30％的预测结果，并且塔周围空间变异性的变化很大。 但最重要的是，他们发现汉城乐天世界大厦高海拔（555 m）的风能非常差，因为它位于朝鲜半岛内陆。但是，应该指出的是，他们发现，根据CFD仿真分析，乐天世界大厦的周围建筑物并未直接影响555 m处的风速。

参考文献

Hyun-Goo Kim, Wan-Ho Jeon and Dong-Hyeok Kim,  “Wind Resource Assessment for High-Rise BIWT  Using RS-NWP-CFD” Remote Sensing Magazine, Vol 8, 1019, 2016