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建筑环境中风能利用的模拟研究

作　者: 徐扬
导　师: 陈宝明
学　校: 山东建筑大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 建筑环境风能利用集风通道数值模拟风洞试验
分类号: TK89
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着当今社会经济的发展,能源消耗量与日俱增,而随着传统化石能源的逐步耗竭,并且对于全球气候造成很大的负面影响,解决能源问题迫在眉睫。因此,开发可再生的绿色能源是在环境保护和资源紧缺的双重制约下的解决之道。作为一种清洁、无污染的可再生能源,风能资源的开发利用已经得到世界各国学者的广泛关注。在城市建筑中用电量大,考虑利用城市建筑环境中的风能来缓解城市能源消耗是值得重视及探讨的问题。本文主要以建筑密集城区周围环境中的风能利用为背景,通过以理论分析、CFD数值模拟以及风洞实验相结合的方法,详细分析了扩散体建筑周围空气流动的相关特性,分别探讨了不同扩散体建筑形式以及集风通道结构尺寸等参数对风能增大的影响。并考虑将建筑与风能利用一体化,将集风器与建筑物结合作为风力强化集结的载体,得到实现更大风能利用效率的建筑形式。本文主要通过改变扩散体建筑的建筑形式实现风能集结进行了详尽的探讨分析。首先,对于立方柱、斜四棱柱、梯形四棱柱、半圆柱、半圆柱加平板型等几种扩散体建筑模型的扩散体通道的流场进行了模拟分析。结果表明：扩散体通道为直线型的立方柱、斜四棱柱、梯形四棱柱扩散体建筑对风力的集结强化效果较差,而扩散体通道为流线型的半圆柱、椭圆体、半圆柱加平板型扩散体建筑对风速的增大效果较好；即通道侧面为流线型时,集风效果更好；而半圆柱加平板扩散体建筑的集风效果最好。鉴于上述结果,对于半圆柱加平板扩散体建筑的相关尺寸参数对于风能增大的影响进行了进一步探讨,得到实现风能利用的最优尺寸。此外,本文还重点分析了集风器的相关尺寸参数对风力增大的影响,得到了最优集结风能的集风通道模型。在此基础上,进一步探讨了在不同来流风速大小及不同来流风向角的情况下,集风通道的风力增大效果及风能利用角度。最后,将上文中的半圆柱加平板扩散体建筑及流线型集风通道实现一体化设计,探讨了不同安装位置对风能利用的影响及其风能增大效果。以数值模拟为基础,选取风能利用的最优建筑形式半圆柱加平板型扩散体建筑以及流线型集风通道,进行不同工况下的风洞试验风场特性测试。风洞试验结果表明,对于建筑模型的扩散体通道,风速的增大效果较明显,对于流线型集风通道,在不同风向下,风速集结效应有所不同,因此在进行风能利用时,应该考虑风能利用角度。最后,将得到的试验测试结果与数值模拟结果进行比较,证实了试验值与模拟值基本吻合。本文通过对于建筑环境中建筑物周围流场特性的分析,探讨更好实现风力集结的建筑形式及其风能利用效果,得到了扩散体建筑利用风能的相关特性,为指导工程实践提供有力的参考价值。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
  1.3 本文主要研究内容和目的  16-18
第2章建筑环境中风能利用的理论基础  18-30
  2.1 概述  18
  2.2 风的特性  18-20
  2.3 风力机分类及工作原理  20-21
  2.4 建筑风环境的特性及研究方法  21-23
  2.5 风绕流建筑物的特点及建筑绕流的模拟理论  23-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章扩散体建筑利用风能的数值模拟分析  30-64
  3.1 概述  30
  3.2 建筑利用风能的数值计算  30-32
  3.3 不同形式扩散体建筑对风能的强化分析  32-38
  3.4 半圆柱加平板扩散体建筑的结构特性对风能强化分析  38-49
  3.5 集风通道的结构尺寸对风能强化分析  49-59
  3.6 带流线型通道的半圆柱加平板扩散体建筑的风能利用分析  59-62
  3.7 本章小结  62-64
第4章扩散体建筑风能利用的风洞试验研究  64-73
  4.1 概述  64
  4.2 风洞试验装置及测量原理  64-67
  4.3 相似性准则  67-70
  4.4 试验步骤及测点的布置  70
  4.5 风洞试验与模拟结果的比较分析  70-72
  4.6 本章小结  72-73
第5章结论及展望  73-75
  5.1 主要结论  73-74
  5.2 现存问题及展望  74-75
参考文献  75-78
符号表  78-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间论文发表及科研情况  81

建筑环境中风能利用的模拟研究

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