内置垂直轴风力发电机对三栋相连高层建筑气动特性的影响

《Energy》：Effect of a built-in vertical-axis wind turbine on aerodynamic characteristics of three connected high-rise buildings

　　

**主要发现：**

• 本研究首次探讨了垂直轴风力发电机（VAWT）对多栋建筑气动特性的影响。
• 在来流风向θ=90°和180°时，VAWT会增加建筑内表面的吸力及其脉动强度。
• 在来流风向θ=90°和180°时，VAWT的旋转不均匀地影响下游建筑的迎风面。
• VAWT的旋转会在两倍旋转频率处触发建筑功率谱密度（PSD）的峰值。

**引言：**

气候变化导致极端天气事件频发[1]、[2]，全球生物多样性加速丧失[3]、[4]，以及其他不利影响[5]、[6]、[7]，所有这些都严重威胁着人类的生存和可持续发展。这一严峻形势的根本原因在于化石燃料燃烧产生的大量碳排放[8]。因此，用波浪能、太阳能和风能等可再生能源[9]、[10]、[11]、[12]、[13]替代传统能源变得越来越迫切。目前，将风力发电设备（特别是风力涡轮机）集成到建筑中被广泛认为是一种高效且可行的策略[14]、[15]。这不仅可以巧妙地利用城市环境中丰富的风能资源[16]、[17]，而且与传统的远距离风电场输电相比，能显著降低成本和能量损失[18]。毫无疑问，推广这种绿色建筑设计理念对于促进可再生能源的高效利用和实现城市与社会的可持续发展具有深远的实践意义。

为推进这一设计理念，研究人员在过去几十年中广泛研究了建筑周围的风能潜力。例如，Peng等人[19]进行了风洞试验，评估了不同高宽比的高层建筑平顶上的风能潜力。在此基础上，Dai等人[20]、[21]、[22]进行了大量计算流体力学（CFD）模拟——该方法被广泛用于捕捉复杂风场[23]、[24]、[25]、[26]——以研究转角修改、女儿墙和相邻建筑对平顶上风能潜力的影响。Ruiz等人[27]通过CFD模拟研究了高层建筑穿孔通道的风能潜力，考虑了开口圆角半径和导管直径的影响。Li等人[28]、[29]对真实的摩天大楼——广州珠江塔——的模型进行了风洞试验，分析了其四个开口的速度放大系数，并结合长期气象风数据进一步估算了拟建垂直轴风力发电机（VAWTs）的年发电量。然而，由于分离剪切流引起的涡轮机性能损失，屋顶上的风能利用往往受到限制，而在建筑开口中收集风能则需要额外的结构修改，这无疑会增加整体成本。一些研究人员认为建筑之间的风能是解决这些问题的有前景的解决方案，并进一步利用CFD模拟进行了研究。例如，Li等人[30]研究了不同风向下两栋建筑之间的速度放大系数。Juan等人[31]、[32]分析了四栋高层建筑阵列的风能潜力，并通过转角修改进一步优化。类似地，Wen等人[33]也研究了这种阵列在不同参数（特别是排列角度）下的风能潜力。然而，建筑之间的空间缺乏可行的涡轮机安装条件仍然是一个挑战。为解决这一问题，Chen等人[34]提出了一种新颖的设计，即三栋相连的高层建筑，采用Y形平面布局。CFD模拟表明，其风能潜力可以通过三栋建筑之间产生的文丘里效应得到增强，同时其空中平台可以为集成VAWT提供结构支撑。此外，这些空中平台和独特的建筑形态可以创造多功能公共空间以促进消费，从而在高密度环境中促进城市活力[35]。

此外，这种设计理念中风力涡轮机的旋转不可避免地会影响作用在建筑上的风荷载，但目前只有少数研究人员对此进行了研究。Wang等人[36]首次研究了在方柱前凹角处集成两台萨沃尼乌斯风力涡轮机对其风荷载的影响。随后，Liu等人[37]、[38]分析了在四个转角处配备四台三叶片H型风力涡轮机的斜角方柱的气动特性。此外，[39]重点研究了在圆角方柱两侧放置一对VAWT时其尾流特征。最近，Xu等人[40]通过周期平均本征正交分解（POD）揭示了在转角处集成VAWT的方柱结构的流控机制。然而，对于三维场景，即集成VAWT的建筑，前述文献中用于二维钝体的CFD模拟并不适用，因为它需要巨大的计算资源才能达到足够的空间和时间精度，即使对于隔离的风力涡轮机也是如此[41]、[42]。因此，解决这一问题的理想方法是进行风洞试验，尽管制造缩尺试验模型并满足严格的相似性仍然具有挑战性。据作者所知，只有少数开创性研究在风洞试验中实现了集成在建筑模型中的风力涡轮机的旋转，例如建筑上的电机驱动风力涡轮机[43]、[44]，以及方柱周围的被动旋转风力涡轮机[45]。

尽管现有文献为建筑中风能的利用奠定了坚实的基础，但仍然缺乏对集成风力涡轮机的多栋建筑气动特性的系统研究。具体来说，这些建筑受到涡轮机诱导涡和建筑间气动干扰的耦合效应影响。此外，这些耦合效应的潜在机制极其复杂，目前对其了解甚少。因此，本研究以[34]提出的集成VAWT的三栋相连高层建筑为代表案例，通过风洞试验研究其气动特性，旨在分解复杂的耦合效应，并为类似结构的抗风设计提供有益的指导。具体而言，在三个具有代表性的来流风向（0°、90°和180°）下，评估了建筑的平均和脉动风压以及基础力矩的功率谱密度（PSDM）。此外，在静止状态和各种旋转速度下，系统地检查了VAWT对建筑的气动影响，并全面比较了不同转子类型和旋转方向。

**章节片段：集成VAWT的三栋相连高层建筑的几何结构**

图1显示了集成VAWT的三栋相连高层建筑的示意图。该建筑群由三栋相同的矩形高层建筑通过三处相同的六边形空中平台相连，从水平面看呈Y形，在上方两个空中平台之间集成了一个VAWT。每栋矩形高层建筑宽度（B）为60米，深度（D）为30米，高度（H）为240米，而每处空中平台……

**VAWT对三栋相连高层建筑基础气动力矩的总体影响**

为了直观且全面地量化VAWT对作用在建筑上的风荷载的影响，基准状态（Baseline）与案例1–4（Cases 1–4）之间基础力矩系数的峰值差异被定义为如下：其中CM,mean/extremeBaseline和CM,stdBaseline分别表示基准状态中基础力矩系数的平均值或极值和标准差，而CM,mean/extremeCases 1-4和CM,stdCases 1-4表示案例1–4中相应的值。

**结论**

本研究以集成VAWT的三栋相连高层建筑为代表案例，通过风洞试验研究了涡轮机诱导涡和建筑间气动干扰的耦合效应。主要发现总结如下：

(i) 在θ=0°时，VAWT对建筑气动特性的影响可忽略不计，仅略微减少了由……引起的下游建筑两个背风面的平均吸力。

**CRediT作者贡献声明**

Wenliang Chen：原创草案撰写、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。Jianwei Li：审稿与编辑、验证、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Jinhang Wu：审稿与编辑、可视化、验证。Yanyu Ke：审稿与编辑、可视化、验证。Junle Liu：审稿与编辑、可视化、验证。Gang Hu：审稿与编辑、可视化、验证。Jie Song：审稿与编辑、可视化、验证。

**利益冲突声明**

作者声明，他们不知道任何可能影响本文所报告工作的相互竞争的财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到了国家自然科学基金（52441803, 51608398）、深圳市科技计划（KQTD20210811090112003）、深圳市高校稳定支持计划（GXWD20231129111527001）和中国海外控股科技研发计划（COHL-2021-Z-01）的支持。

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