太陽能路燈光電板氣動(dòng)導(dǎo)風(fēng)設(shè)計(jì)數(shù)值研究

花長城，彭興黔

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021)

目前，城市夜景照明廣泛應(yīng)用光電技術(shù)及LED新技術(shù)，利用傾斜放置的太陽能光電板在白天吸收并貯存太陽熱能，夜間將其轉(zhuǎn)換成電能發(fā)電，供街道、廣場(chǎng)等公共場(chǎng)所的LED照明使用。太陽能光電板是主要的吸熱換電器件，因其露天設(shè)置于電桿上，對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，尤其在我國東南沿海地區(qū)，因其自重較輕，常在臺(tái)風(fēng)作用下發(fā)生損壞，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)其被風(fēng)毀墮落也可能造成行人傷亡事故，因此抗風(fēng)設(shè)計(jì)已成為光電板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。歷次災(zāi)害調(diào)查表明，單純采用加強(qiáng)構(gòu)件和連接措施并不能有效解決結(jié)構(gòu)的風(fēng)致?lián)p壞問題，因此國內(nèi)外已有學(xué)者采取氣動(dòng)措施來控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)致?lián)p壞。FRANCHINI［1］等對(duì)一低矮房屋弧形屋面做了騰空懸挑女兒墻處理，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明這種女兒墻可以有效地降低弧形屋面負(fù)壓峰值。BANKS［2］對(duì)50%開孔率(圓孔)的透風(fēng)女兒墻做了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)負(fù)壓峰值可減小50%左右。傅繼陽［3］等提出在懸挑屋蓋承受較大負(fù)壓的屋檐和角點(diǎn)附近部位采取開槽氣動(dòng)措施，可有效削減屋蓋風(fēng)敏感處的風(fēng)荷載值。黃鵬和顧明［4］研究了懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)在頂部開洞情況下屋蓋表面的風(fēng)壓分布特性，結(jié)果表明開洞后屋蓋上的風(fēng)壓有一定程度的降低。結(jié)合前人研究成果，筆者提出以氣動(dòng)措施導(dǎo)風(fēng)設(shè)計(jì)方法來疏導(dǎo)光電板表面的風(fēng)荷載，以期有效地解決光電板風(fēng)致?lián)p壞問題。

1 數(shù)值風(fēng)洞模型

1.1 模型及計(jì)算工況

筆者根據(jù)光電板及其導(dǎo)風(fēng)板的實(shí)際尺寸建立幾何實(shí)體模型，根據(jù)文獻(xiàn)［5-6］，數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域的長、寬、高分別取120 m、100 m、60 m，光電板處于流域沿來流方向的前1/3處。模型的阻塞率為0.013%滿足小于3%的要求［7］。計(jì)算域的離散采用適應(yīng)性較好的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模型面上的網(wǎng)格尺度為0.01 m。根據(jù)文獻(xiàn)［8-10］，數(shù)值模擬時(shí)選取SST k-ω模型，1.75階迎風(fēng)格式，迭代殘差小于0.0001時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂，經(jīng)過計(jì)算收斂性較好。

筆者算例的太陽能光電板是厚度較小的矩形板，與水平方向夾角 β=24°(閩南地區(qū)一般取值)，距地面高度H=11 m，底邊長L=1 m，斜邊寬B=0.8 m，如圖1所示。根據(jù)研究對(duì)象的特性和對(duì)稱性，筆者選用了7個(gè)風(fēng)向角，導(dǎo)風(fēng)板的布置及來流風(fēng)向角的定義如圖2所示，取角度α=90°-β=66°(即導(dǎo)風(fēng)板豎直)和90°(即與光電板垂直)，導(dǎo)風(fēng)板高度為h，導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置狀況以h/B表示，分別取h/B=0(即未加導(dǎo)風(fēng)板)和h/B=0.1、0.2、0.3、0.4?？紤]63種工況，在每種工況下研究光電板的風(fēng)壓分布。

圖1 光電板照片

圖2 加設(shè)導(dǎo)風(fēng)板和風(fēng)向角位置示意圖

1.2 湍流模型和邊界條件

入口風(fēng)剖面為:

湍流強(qiáng)度為:

式中:u1為垂直高度z位置的水平風(fēng)速;u0為參考高度z0處的風(fēng)速，取z0=10 m，u0=5.35 m/s;該建筑所處地面粗糙度為B類，粗糙度系數(shù)α取0.16，對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度zG=350 m。

湍流動(dòng)能為［11］:

湍流積分尺度為［12］:

耗散率為:

式中:z為建筑物的高度;常數(shù)C=0.09;卡曼常數(shù)K=0.41。

出口面假設(shè)湍流已充分發(fā)展，地面、建筑物表面采用非滑移壁面，在近壁面區(qū)采用壁面函數(shù)法［13］，數(shù)值風(fēng)洞邊界采用自由滑移壁面。

2 氣動(dòng)導(dǎo)風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

2.1 各種工況下光電板的凈風(fēng)壓

光電板的平均風(fēng)壓系數(shù)定義為Cp，為各計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)Cpi按該點(diǎn)所屬面積Ai的加權(quán)平均值，其計(jì)算式為［14］:

但在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用面上的凈風(fēng)壓系數(shù)，即用上下表面的平均風(fēng)壓系數(shù)之差來表示光電板的凈風(fēng)壓系數(shù)ΔCp，即:

筆者給出的平均凈風(fēng)壓系數(shù)ΔCp均以B類地貌10 m高度處的風(fēng)壓為參考風(fēng)壓。

帶導(dǎo)風(fēng)板時(shí)的光電板凈風(fēng)壓系數(shù)曲線如圖3所示。從圖3可以看出:當(dāng)在光電板的邊緣處設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板時(shí)，可以減少風(fēng)荷載在光電板表面的附著。如圖3(a)所示導(dǎo)風(fēng)板豎直時(shí)，隨著導(dǎo)風(fēng)板高度的增加，光電板表面的凈風(fēng)壓系數(shù)減小，風(fēng)向角為90°時(shí)，由于來流與導(dǎo)風(fēng)板平行，因此光電板凈風(fēng)壓系數(shù)幾乎沒有減小。導(dǎo)風(fēng)板相對(duì)高度h/B=0.3和0.4時(shí)，卸載效果最為顯著，光電板上最大凈風(fēng)壓系數(shù)為0.4左右。此時(shí)由于光電板上的凈風(fēng)壓系數(shù)幾乎相同，因此沒有繼續(xù)增加導(dǎo)風(fēng)板的高度。如圖3(b)所示導(dǎo)風(fēng)板與光電板垂直時(shí)，基本變化規(guī)律與前者相類似，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板相對(duì)高度h/B=0.4時(shí)，卸載效果最為顯著。由圖3(a)與圖3(b)比較可知，在任意風(fēng)向角下，導(dǎo)風(fēng)板都具有一定的卸載效果，即使在最不利的0°和180°風(fēng)向角下，卸載效果也較為顯著，導(dǎo)風(fēng)板豎直放置時(shí)，卸載效果較導(dǎo)風(fēng)板與光電板垂直放置要好。隨導(dǎo)風(fēng)板高度增加，卸載也增加，當(dāng)然，導(dǎo)風(fēng)板自身也受風(fēng)荷載作用，在設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板時(shí)應(yīng)優(yōu)化其設(shè)計(jì)高度。

圖3 帶導(dǎo)風(fēng)板時(shí)的光電板凈風(fēng)壓系數(shù)曲線

2.2 光電板的減壓率分析

為了比較光電板減壓的效果，定義光電板的減壓率為:

式中:ΔCp0j為沒有導(dǎo)風(fēng)板時(shí)j風(fēng)向角的凈風(fēng)壓系數(shù)(j為風(fēng)向角變化);ΔCpij為對(duì)應(yīng)j風(fēng)向角和導(dǎo)風(fēng)板i高度時(shí)光電板凈風(fēng)壓系數(shù)(i為導(dǎo)風(fēng)板高度的變化)。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示?？傮w來說，隨著導(dǎo)風(fēng)板高度的增加，光電板的減壓率也逐漸增加。在同等條件下，導(dǎo)風(fēng)板豎直設(shè)置時(shí)光電板的減壓率比導(dǎo)風(fēng)板與光電板垂直設(shè)置時(shí)好。綜合考慮最優(yōu)的導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置取導(dǎo)風(fēng)板豎直安放、相對(duì)高度h/B=0.2，此時(shí)減壓率可以達(dá)到50%。減壓效果顯著。

表1 光電板在不同高度和角度導(dǎo)風(fēng)板下的減壓率

2.3 減壓機(jī)理比較

為了進(jìn)一步理解光電板的減壓機(jī)理，探討其內(nèi)在規(guī)律，筆者選取了導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置的最優(yōu)值和未設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板的光電板在0°風(fēng)向角下的附近流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。由圖4(a)可以看出，來流直接作用在光電板上，光電板上表面風(fēng)荷載較大且風(fēng)力分布較均勻，在光電板邊緣分離處風(fēng)速突然增大，下表面風(fēng)荷載低于上表面以吸力為主。圖4(b)因?qū)эL(fēng)板的設(shè)置，改變了光電板周圍的空氣流場(chǎng)，減少了風(fēng)荷載在光電板上表面的附著面積，減輕了氣流對(duì)太陽能光電板上表面的撞擊，即減小了太陽能光電板上表面風(fēng)壓力;同時(shí)光電板的設(shè)置減輕了氣流在光電板下表面的分離，即減小了太陽能光電板下表面風(fēng)吸力，從而對(duì)太陽能光電板起到減小風(fēng)荷載的作用。

3 結(jié)論

圖4 0°風(fēng)向角下光電板附近的流場(chǎng)圖

通過以上分析證明，所提出的變被動(dòng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)為主動(dòng)導(dǎo)風(fēng)設(shè)計(jì)的新理念，能有效地疏導(dǎo)光電板表面的風(fēng)荷載。同時(shí)通過對(duì)光電板邊緣設(shè)置不同的導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行比較分析，可知導(dǎo)風(fēng)板的存在可改變太陽能光電板的空氣流場(chǎng)，有效減卸高速氣流在太陽能光電板上施加的風(fēng)荷載，保障太陽能光電板安全及其正常使用功能，同時(shí)得到導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置的最優(yōu)值，即導(dǎo)風(fēng)板應(yīng)豎直且相對(duì)高度h/B=0.2，此時(shí)減壓率約為50%。因此，筆者的研究成果可以為以后沿海地區(qū)光電板的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

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