基于恒風(fēng)速虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)動(dòng)載荷

鄂加強(qiáng)，王紅林，劉騰，左威，張慶玲，蘇秀超

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基于恒風(fēng)速虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)動(dòng)載荷

鄂加強(qiáng)1, 2，王紅林2，劉騰1, 2，左威2，張慶玲2，蘇秀超2

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410082；2. 湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082)

針對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器最佳避風(fēng)姿勢(shì)問(wèn)題，采用恒風(fēng)速虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同姿態(tài)和不同風(fēng)速下的碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)動(dòng)載荷進(jìn)行仿真分析。研究結(jié)果表明：在靠近來(lái)流方向處碟式太陽(yáng)能聚光器總壓力較大，而遠(yuǎn)離來(lái)流方向處其總壓力相對(duì)較小，且碟式太陽(yáng)能聚光器反射面的最大壓強(qiáng)隨恒風(fēng)速的增大而不斷增加；當(dāng)風(fēng)速由=15 m/s增大到=25 m/s時(shí)，碟式太陽(yáng)能聚光器所受風(fēng)力和風(fēng)力矩的最大幅值至少增加了110%。

聚光器；虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；風(fēng)動(dòng)載荷；太陽(yáng)能

太陽(yáng)能作為可再生能源與傳統(tǒng)能源相比適用范圍廣且效益顯著[1]，并擁有廣闊的發(fā)展前景[2]。對(duì)于碟式太陽(yáng)能聚光器而言，風(fēng)的擾動(dòng)作用是最大的不確定載荷，而影響碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)動(dòng)載荷最重要部位是反射面。由于反射面迎風(fēng)面積大，空氣阻力系數(shù)也大，因此導(dǎo)致碟式太陽(yáng)能聚光器在某些狀態(tài)下的風(fēng)載十分巨大。由于導(dǎo)致碟式太陽(yáng)能聚光器相對(duì)于氣流方向變化的不確定性，故氣流對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器的風(fēng)動(dòng)載荷不是一個(gè)恒定的載荷。而且氣流流過(guò)聚光器時(shí)，會(huì)在反射面之后形成脫體漩渦，相當(dāng)于給聚光器施加了脈動(dòng)激振力，容易導(dǎo)致碟式太陽(yáng)能聚光器振動(dòng)，甚至引起破壞性的共振。因此，對(duì)各種工況下的碟式太陽(yáng)能聚光器受到的風(fēng)動(dòng)載荷特性研究顯得十分重要。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究工作者關(guān)于碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在提高吸熱器能量轉(zhuǎn)化效率[3?6]、聚光器聚光效率[7?9]等方面，而沒有針對(duì)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的風(fēng)激振動(dòng)對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)載壓強(qiáng)分布與模態(tài)影響機(jī)理進(jìn)行研究。風(fēng)洞試驗(yàn)是常用的計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷的方法，成本高、周期長(zhǎng)，而數(shù)值仿真方法可以快速準(zhǔn)確地得到模型受風(fēng)作用時(shí)的模型風(fēng)效應(yīng)情況，避免風(fēng)洞試驗(yàn)由于忽略細(xì)節(jié)而引起的計(jì)算誤差而顯示出蓬勃生機(jī)[10?12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出多種風(fēng)載荷計(jì)算方法[13?15]。因此，本文作者采用簡(jiǎn)化的物理模型和高精度的數(shù)值算法，在恒風(fēng)速虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)下的碟式太陽(yáng)能聚光器進(jìn)行風(fēng)動(dòng)載荷分析，獲得碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)動(dòng)載荷分布，為改進(jìn)碟式太陽(yáng)能聚光器的結(jié)構(gòu)以及對(duì)工程實(shí)踐中的最佳避風(fēng)姿勢(shì)問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 風(fēng)動(dòng)載荷仿真模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

碟式太陽(yáng)能聚光器工作在大氣邊界層的風(fēng)場(chǎng)中，由于氣流在大氣邊界層中的流動(dòng)屬于湍流，為低速、不可壓縮的黏性牛頓流體。故對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器流體區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，不考慮熱交換，即不考慮能量方程。

1) 質(zhì)量守恒方程為

2) 動(dòng)量守恒方程為

3) 湍流方程模型為

式中：v，v和v分別為風(fēng)速度在，和方向的分量，m/s；為時(shí)間，s；為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s，且=0+T，0為空氣分子黏性系數(shù)，T=μ2/，μ為與?方程有關(guān)的常數(shù)，為湍動(dòng)能，為湍動(dòng)能耗散率；為空氣密度，kg/m3；為絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa；k為湍流動(dòng)能的有效Prandtl數(shù)；K=T(?u/?x+?u/?x) (?u/?x)。

式中：ε為湍流動(dòng)能耗散率的有效Prandtl數(shù)；1和2為與?方程有關(guān)的常數(shù)。

數(shù)學(xué)模型中的有關(guān)常數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)學(xué)模型常數(shù)

1.2 力學(xué)模型

風(fēng)力與空氣密度、風(fēng)速、空氣的黏性、碟式太陽(yáng)能聚光器的直徑等有關(guān)，故風(fēng)力可表示為

用因式分解法可得：

因?yàn)榈教?yáng)能聚光器的2正比于碟式太陽(yáng)能聚光器的特征面積(即2∝)，且雷諾數(shù)=/，故式(8)可表示為

式中：F為風(fēng)力系數(shù)，F(xiàn)=()。

對(duì)于碟式太陽(yáng)能聚光器，當(dāng)風(fēng)向不同時(shí)，風(fēng)力也不同。為計(jì)算方便，無(wú)論風(fēng)向如何，式(9)中的取相同值，例如取高度角=0o、方位角=0o時(shí)的最大面積，而僅僅是風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)向而變。

圖1所示為碟式太陽(yáng)能聚光器受風(fēng)載荷作用后的受力圖。一般情況下，碟式太陽(yáng)能聚光器所受風(fēng)力可分解為側(cè)力F、阻力F和升力F：

F=0.52AC(10)

F=0.52AC(11)

F=0.52AC(12)

式中：C為側(cè)力系數(shù)；C為阻力系數(shù)；C為升力系數(shù)。

圖1 碟式太陽(yáng)能聚光器受力圖

此外，碟式太陽(yáng)能聚光器受風(fēng)力作用時(shí)還會(huì)產(chǎn)生風(fēng)力矩。類似地，碟式太陽(yáng)能聚光器所受風(fēng)力矩可表示為

式中：C為風(fēng)力矩系數(shù)；為碟式太陽(yáng)能聚光器半徑，m。

當(dāng)?shù)教?yáng)能聚光器受沿軸風(fēng)向作用時(shí)，風(fēng)力矩在一般情況下可分解為俯仰力矩、翻滾力矩和方位力矩：

=0.5Cρv2(14)

=0.5Cρv2(15)

=0.5Cρv2(16)

1.3 物理模型

碟式太陽(yáng)能聚光器物理模型如圖2所示。當(dāng)風(fēng)對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器進(jìn)行繞流時(shí)，碟式太陽(yáng)能聚光器相當(dāng)于處于完全開口的流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中。而風(fēng)對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器的作用存在于一定的范圍內(nèi)，因此在建立碟式太陽(yáng)能聚光器計(jì)算流體域時(shí)給定與實(shí)際相對(duì)應(yīng)的邊界條件。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聚光器直徑約為18 m，厚度為0.28 m，為保證氣流在流體域內(nèi)的流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài)，流體域的長(zhǎng)度約為聚光器的10倍，流體域的寬度和高度約為碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聚光器的5倍，經(jīng)過(guò)多次建模仿真，確定流體域長(zhǎng)×寬×高為 170 m×80 m×80 m，模型中心距地面高度為10 m，風(fēng)的入口距模型中心距離為55 m，如圖3所示。

圖2 碟式太陽(yáng)能聚光器物理模型

圖3 碟式太陽(yáng)能聚光器計(jì)算域模型

對(duì)模型進(jìn)行設(shè)定，將空氣看作連續(xù)介質(zhì)、無(wú)壓縮黏性流體。網(wǎng)格的類型和網(wǎng)格的數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響。對(duì)該模型的流體區(qū)域采用的是多面體網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有很好的靈活性和適應(yīng)性，易于進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)。為了更準(zhǔn)確地模擬聚光器周圍流場(chǎng)特性，對(duì)聚光器周圍區(qū)域有遠(yuǎn)及近逐步加密。

1.4 仿真條件設(shè)定

設(shè)置邊界條件前需對(duì)模型的流體域進(jìn)行設(shè)置，流體域中所選流體為空氣，氣溫為常溫且絕熱，參考?jí)簭?qiáng)為100 kPa，且采用3種以下方式確定模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)初始條件和邊界條件：

1) 入口初始條件和邊界條件：該區(qū)域的流體為不可壓縮流體流動(dòng)，入口初始風(fēng)速分為恒定風(fēng)速，該區(qū)域的流體流動(dòng)為不可壓縮流體流動(dòng)，入口風(fēng)速分別為15，20和25 m/s。

2) 出口邊界條件：出口處的邊界條件采用壓強(qiáng)出口邊界條件，壓強(qiáng)為100 kPa。

3) 壁面條件：流體域表面和聚光器表面，wall是一種限定流體域和固體域的邊界條件。壁面條件的粗糙度設(shè)置為光滑。對(duì)于黏性流體，采用黏附條件，即認(rèn)為壁面處流體速度與壁面該處的速度相同，無(wú)滑移壁面的速度為0 m/s，壁面處流體速度為0 m/s。聚光器表面和地面固定不動(dòng)，不發(fā)生移動(dòng)，所以采用無(wú)滑移的壁面條件；而流體域的頂面和前后面采用滑移邊界條件。

1.5 控制方程離散化與求解

采用有限差分法對(duì)碟式太陽(yáng)能聚光器風(fēng)動(dòng)載荷模型的守恒方程組進(jìn)行離散化。根據(jù)以上確定的初始條件和邊界條件，采用SIMPLEST思想對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行離散化，對(duì)壓力方程采用全域求解，其他守恒方程采用線性迭代法求解。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 流速分布

當(dāng)=0°和=45°時(shí)，流體域速度分布如圖4所示。由圖4(a)可見：當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，在碟式太陽(yáng)能聚光器后表面會(huì)形成一個(gè)大的回流區(qū)，將使碟式太陽(yáng)能聚光器后表面所受風(fēng)力與前表面所受部分風(fēng)力抵消。另外，在風(fēng)通過(guò)碟式太陽(yáng)能聚光器后表面縫隙時(shí)，流出速度有所上升，且風(fēng)在碟式太陽(yáng)能聚光器上下端面的速度方向沿中心向外，且下端速度大于上端速度。