我们进行了风洞实验验证WST的风能利用。大型边界层风洞应用力学研究所,九州大学使用。风洞测试的部分 15 米 长 × 3.6 米 宽 × 2 米 高 ,最大风速30 m / s,并以低湍流强度的0.4%。以减少堵塞影响,一半的测试区一侧墙壁和天花板面板被移除。

一般来说,风在地面附近的字段是减速,由于剪切应力在地上。因此,即将到来的侧风速度非均匀分布在垂直方向。这意味着大厦顶部比底部有更强的风。我们塔模型的测试区地板风洞为了模拟这种情况。这种方法使它可能是风只靠近塔的上面。图 2显示了塔模型及其设置。我们调查了一个圆柱形塔和diffuser-shaped塔的直径 D 是0.32米,高度 h 是2.0米。涡流发生器的高度 h vg 是 D / 2 或 D ,旋涡发生器的宽度是一样的直径塔出口 D 出 = D + 2 h · 棕褐色 α ,在那里 α 塔的半开口角度。在任何情况下风力涡轮机是没有安装。

我们测量上升气流速度 w 和静态压差 Δ p 年代 在平静的空气压力的点。用热线风速仪风速测量和hot-sphere风速计。压差测量静态管和数字压力计在接近8米/秒的风速。图 3显示测量的点。烟雾发生器用于流可视化在接近4米/秒的风速。

我们定义一个压力系数 C p 由方程( 1)。价值来源于静态压差除以的动态压力接近风。 (1) C p = ∆ p 年代 1 / 2 ρ U ∞ 2 ,

一个商业流体分析软件“STAR-CCM +”( 20.)是用于数值实验。表 1显示了数值条件。图 4(一)显示了计算域,和图 4 (b)显示了计算网格。这个计算域是类似于风洞实验;域不仅上层部分,风吹也较低部分的空气很平静。减少堵塞的影响,相比更大领域的塔直径创建(图 4)。非结构网格模式主要由十面体。即将到来的风速设置为2,4,6或8 m / s。中性边界条件应用于一楼,流部分地板,和身体的表面。滑移边界条件应用于一边,上边界。诺伊曼条件给域边界的压力。流模式和一个圆柱形塔diffuser-shaped塔模拟。数值塔模型是相同的实验模型的配置。我们也进行了一些模拟涡发生器。一个风力涡轮机并非在任何情况下模拟。

图 5显示了上升气流风速 w 在圆柱形塔。测量值绘制在图,和合适的曲线方程。显然,上升气流风速接近风速成比例增加 U ∞ 在所有情况下。圆柱形塔短涡发生器( h vg = D / 2 )达到1.8倍上升气流速度的增加。然而,扩大涡发生器的高度没有意外导致显著增加的速度。塔高涡发生器( h vg = D )达到1.9倍上升气流速度的增加。

图 6显示 w diffuser-shaped塔。上升气流风速接近风速成比例增加。diffuser-shaped塔没有旋涡发生器实现增加2.1倍上升气流速度比圆柱形塔。diffuser-shaped塔短涡发生器( h vg = D / 2 )达到1.3倍上升气流速度增加,尽管扩大涡发生器的高度没有导致显著增加的速度。塔高涡发生器( h vg = D )达到1.4倍上升气流速度的增加。涡流发生器的diffuser-shaped塔创造了显著的上升气流的速度超过了接近风速。

照片在图 7显示上升气流可视化结果的烟风洞。侧风飞从左到右。在塔的情况下旋涡发生器(图 7(一)),上升气流立即飞塔出口下游。当旋涡发生器的高度高,上升气流的吸涡发生器的顶部。在分离剪切层,漩涡脱落的剪切应力。同时,大漩涡出现在每个情况下(数字 7 (d)- - - - - - 7 (f))。黄色箭头显示漩涡的位置。在塔的情况下旋涡发生器(图 7 (d)),下游的塔产生的漩涡。当旋涡发生器的高度更高,涡的位置上游移动,这是塔出口的正上方。然而,涡的位置也向上移动。我们假设的扩张涡之间的距离和塔出口阻止提高上升气流吸。

图 8显示了压力分布测量的实验。的情况下diffuser-shaped塔,塔入口附近的压力降低了由于其扩散效应。同时,完全的压力降低的情况下旋涡发电机。因此,diffuser-shaped塔旋涡发生器实现最低的压力,这导致最高上升气流风速。

在这里,我们提供一个简单的理论为了给一些解释实验结果。我们定义变量,如图 9。考虑到质量守恒和压力平衡,我们得到以下方程: (2) w 用力推 = C pb ξ 在 + ξ dif + 1 + ξ 出 一个 用力推 / 一个 出 2 U ∞ , 在哪里 C pb 涡流发生器的背压系数吗 Δ p / 1 / 2 ρ U ∞ 2 , ξ 在 在塔进气压力损失系数, ξ dif 扩散器的压力损失系数, ξ 出 在塔出口压力损失系数。

方程( 2)支持的实验趋势上升气流风速侧风速度成正比。

数据 10和 11显示了上升气流风速 w 由数值模拟得到。模拟值绘制在情节和适应曲线派生的数据实验。数值结果与实验结果显示良好的协议。

图 12显示了在塔压力分布得到了数值模拟。数值结果表明,与实验结果相同的趋势。因此,我们认为我们的实验结果和数值结果可靠。

图 13显示时均压力分布。值得注意的一点是,塔上面出现一些压力下降。塔与旋涡发生器上方的压力降低。他们由于旋涡发生器产生的涡旋卑贱的压力。因此,塔内压力与旋涡发生器完全是比塔没有旋涡发生器的减少。另一个值得注意的一点是,我们抓住了塔内压力梯度在垂直方向。压力成为降低diffuser-shaped塔的底部附近,尽管没有压力梯度存在于圆柱形塔。流压力梯度与加速度的扩散效应。因此,加速上升气流是最底部的diffuser-shaped塔旋涡发生器。

风塔的底部加速度更可取,因为风的涡轮机太阳能塔坐落在那里。,旋涡发生器的diffuser-shaped塔是一个合适的形状产生上升气流在所需的位置。

图 14显示时均流线。大涡模拟在塔涡发生器。大漩涡也观察到的流可视化风洞实验(见图 7)。数值结果证实了我们的涡流发生器产生漩涡充分塔附近的网点。

未来的可能性采用本文提出的想法是值得一提的。我们建立了一个WST原型在日本九州大学(见图 15)。收集器塔高度为10米,宽15米。图 16显示了非凡的两天的实验结果。塔在夜间强风。通常,塔式太阳能上升气流不能产生上升气流在日落之后。然而,利用太阳能和风能的WST同时能够产生上升气流不断在夜间如图 16。这意味着我们展示了新的WST利用侧风能源的发电机制没有太阳能在实用条件下。不幸的是,风速不够继续在夜间的涡轮旋转。然而,WST预计实际大小的涡轮旋转不断地由于其低插入的特点及其利用上层风没有减速。太阳能和风能的协同作用将报道与现场试验的细节在我们未来的论文。