基于槽式太陽(yáng)能聚光器結(jié)構(gòu)的流固耦合分析

林 紅，肖 洪，朱天宇，王 磊

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213022；2.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院，江蘇 南通226019）

0 引言

槽式太陽(yáng)能聚光器通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光的聚焦，加熱集熱器內(nèi)的工質(zhì)，為電站的蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)提供高溫?zé)嵩椿蛑苯訉⒏邷卣羝峁┙o汽輪機(jī)［1］。因此，聚光器是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，它的性能的好壞會(huì)顯著影響太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的總體性能［2］。

槽式太陽(yáng)能聚光器始終工作在露天的環(huán)境中，不可避免地會(huì)受到環(huán)境的影響，尤其是風(fēng)載荷。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的胡搖等人，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論建立了計(jì)算模型，分析了槽式太陽(yáng)能聚光器在不同角度、不同風(fēng)速、不同反光鏡間縫隙下對(duì)風(fēng)載荷的影響［3］。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孔祥兵等人，利用流體仿真軟件FLUENT來(lái)模擬風(fēng)場(chǎng)，然后將得到的最大面載荷施加在鏡面上，應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析［4］。河海大學(xué)的劉英玉等人通過(guò)風(fēng)速與風(fēng)壓的換算關(guān)系，將換算的風(fēng)壓施加到鏡面上，采用ANSYS軟件對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析［5］。這些方法沒(méi)有將流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代分析方法的不斷改進(jìn)，流固耦合分析方法成功的將流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)合起來(lái)，使得槽式太陽(yáng)能聚光器的流固耦合技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)［6］。因此，有必要對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光器進(jìn)行流固耦合分析。

1 流固耦合理論

1.1 流體控制方程

流體流動(dòng)必須遵循基本的物理守恒定律，其中包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。不考慮流體、固體間的能量傳遞，對(duì)能量守恒不進(jìn)行描述［7］。

質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

ρf為流體密度；t為時(shí)間；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量；ff為體積力矢量。

1.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程由牛頓第二定律導(dǎo)出：

ρs為固體密度；ds為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶浚沪襰為柯西應(yīng)力張量；fs為體積力矢量。

1.3 流固耦合方程

同樣，流固耦合也遵循一些最基本的守恒原則。因此，在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力τ、位移d、熱流量q和溫度T等的相等或守恒，即滿足以下4個(gè)方程：

下標(biāo)f，s分別為流體、固體。

采用ANSYS Workbench軟件對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光器在不同風(fēng)速、不同工作角度下進(jìn)行單向流固耦合分析。聚光器流固耦合分析流程如圖1所示。

圖1 流固耦合分析流程

2 流場(chǎng)分析

2.1 建立有限元模型

利用Workbench對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光器進(jìn)行有限元建模，取水平橫向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，水平軸向?yàn)閆軸。根據(jù)拋物線聚光原理，槽式太陽(yáng)能聚光器工作時(shí)的位置是隨太陽(yáng)方位角的變化而發(fā)生變化，這里選取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°進(jìn)行分析計(jì)算。其中0°與90°的有限元模型如圖2所示。

圖2 聚光器的有限元模型

2.2 流場(chǎng)的建立與設(shè)置

流場(chǎng)數(shù)值分析時(shí)將支架部分抑制的原因是：支架部分為金屬框架，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的網(wǎng)格單元，增加計(jì)算量；流體模型變得復(fù)雜，網(wǎng)格劃分質(zhì)量降低，影響分析結(jié)果的精度；支架部分受到風(fēng)載荷的影響與反光鏡部分的影響相比非常小，可以忽略不計(jì)。

將流體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench下的Fluent中進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行湍流方程設(shè)置，選擇Viscou－Stannard中的標(biāo)準(zhǔn)k－epslion模型；流動(dòng)介質(zhì)為空氣，假設(shè)空氣為不可壓縮流體；入口采用速度邊界條件，風(fēng)的方向與X軸平行，設(shè)置額定速度為六、七、八級(jí)風(fēng)的最大風(fēng)速［8］；出口使用壓力邊界條件，壓力設(shè)為0；利用Simple算法及定常穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。

3 聚光器的結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析前處理

槽式太陽(yáng)能聚光器支撐結(jié)構(gòu)的材料為Q235A鋼，選擇ANSYS Workbench中的Structural Steel即可。同時(shí)添加反光鏡的材料浮法白玻，命名為glass。浮法白玻為脆性材料，它的常見(jiàn)破壞形式為斷裂失效。最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）是解釋脆性材料斷裂失效的原因，該理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起斷裂的主要因素。即認(rèn)為無(wú)論是什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力達(dá)到某一極限值，材料就發(fā)生斷裂［9］。由于失效的原因與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)，也就是最大拉應(yīng)力的極限值與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)。因此，要設(shè)置浮法白玻的拉應(yīng)力極限值（tensile yield strength）。

聚光器所受約束為4個(gè)支撐腳施加固定約束，限制聚光器X，Y，Z方向的移動(dòng)和繞X，Y，Z的轉(zhuǎn)動(dòng)。盡管聚光器跟隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但它的轉(zhuǎn)動(dòng)是間歇性的、緩慢的，分析時(shí)將整個(gè)聚光器結(jié)構(gòu)視為剛連接。

聚光器所受載荷為慣性載荷和壓力載荷。慣性載荷是重力，方向?yàn)閅軸負(fù)向，將其施加到整個(gè)聚光器上。壓力載荷為來(lái)自流體分析的壓力數(shù)據(jù)并作用在反光鏡的表面。圖3所示為導(dǎo)入的反光鏡壓力圖（工作角度為60°）。

圖3 反光鏡壓力（60°）

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

以八級(jí)風(fēng)作用、工作角度為60°的結(jié)果為例進(jìn)行結(jié)果分析。聚光器結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、最大拉伸應(yīng)力安全系數(shù)結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 聚光器整體變形

圖5 聚光器的應(yīng)力分布

圖6 聚光器的拉應(yīng)力安全系數(shù)

由圖4可見(jiàn)，聚光器中間部分變形比較明顯，特別是靠近反光鏡的邊緣部分，最大值為7.623 3 mm，這是聚光器沿Z軸方向較長(zhǎng)的原因。由圖5可知，應(yīng)力較大的部分出現(xiàn)在矩形框架的兩端，最大值為86.18MPa這是因?yàn)檫@兩端承受的力矩比較大。由圖6可以得到，反光鏡在支撐端附近的最大拉應(yīng)力安全系數(shù)較小，最小值為2.469。通過(guò)以上結(jié)果分析，聚光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在剛度和強(qiáng)度上均滿足要求。

聚光器在不同工作角度受六、七、八級(jí)風(fēng)作用下的最大變形、最大應(yīng)力、最小安全系數(shù)如圖7所示。

圖7 聚光器的分析結(jié)果

由于位置的對(duì)稱性，0°與180°可認(rèn)為是二者中的任意一個(gè)角度在正反兩個(gè)方向風(fēng)載荷作用下的效果，其他相應(yīng)角度也具有類似的特點(diǎn)。故由圖7可以得出以下結(jié)論。

a.在六、七、八風(fēng)作用下，明顯看出八級(jí)風(fēng)對(duì)聚光器結(jié)構(gòu)特性的影響最大。并且八級(jí)風(fēng)作用下，聚光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在剛度和強(qiáng)度上均滿足要求。

b.聚光器在工作角度為60°時(shí)，變形和應(yīng)力都最大；工作角度為0°時(shí)，變形和應(yīng)力都最小。

c.聚光器在工作角度為90°時(shí)，最大拉應(yīng)力的最小安全系數(shù)最大，反光鏡最不易出現(xiàn)拉應(yīng)力失效；工作角度為0°時(shí)，最小安全系數(shù)最小，反光鏡最容易出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。

d.考慮到聚光器在非工作時(shí)間的停放位置，經(jīng)過(guò)綜合分析，工作90°為最佳停放位置。這個(gè)位置容易控制，反光鏡的玻璃最不容易發(fā)生斷裂失效，聚光器的整體變形和應(yīng)力也比較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行流固耦合分析，最終得到聚光器結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和拉應(yīng)力安全系數(shù)等數(shù)據(jù)。該分析方法與其他的方法相比，較為準(zhǔn)確地反應(yīng)聚光器的受力情況，簡(jiǎn)單方便，用時(shí)大大縮短，同時(shí)為聚光器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)值依據(jù)。

［1］ 熊亞選，Modibo Kane Traore，吳玉庭，等.槽式太陽(yáng)能聚光集熱技術(shù)［J］.太陽(yáng)能，2009，（6）：21－26.

［2］ 杜鳳麗.太陽(yáng)能熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2012，（7）：5－11.

［3］ 胡 搖，陳小安，吳國(guó)洋，等.槽式太陽(yáng)能聚熱器風(fēng)載荷數(shù)值模擬研究［J］.綠色科技，2012，（6）：265－270.

［4］ 孔祥兵，陳小安，吳國(guó)洋，等.槽式太陽(yáng)能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2013，（2）：121－126.

［5］ 劉英玉，肖 洪，鄭方輝，等.基于ANSYS的槽式太陽(yáng)能聚光器支架結(jié)構(gòu)分析［J］.機(jī)械與電子，2013，（9）：37－40.

［6］ 鄭 軍，楊昌明，朱 利，等.離心泵葉輪流固耦合分析［J］.流體機(jī)械，2013，41（2）：25－29.

［7］ 宋學(xué)官，蔡 林，張 華.ANSYS流固耦合分析與工程實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［8］ 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.

［9］ 周建方.材料力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.