工程與技術(shù) 大型塔式定日鏡風(fēng)荷載數(shù)值模擬研究

李磊+馬曉剛+敬敏+王云懋+馬祥

作者簡介：李磊（1976—），男，湖南株洲人,主要從事火電自動化技術(shù)、太陽能應(yīng)用技術(shù)、節(jié)能技術(shù)等方面的工作。中圖分類號：TH3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944(2014)05028806

1引言

定日鏡作為太陽能光熱發(fā)電集熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,正面為特殊反光材料鍍成,背面由鋼結(jié)構(gòu)支撐并跟蹤太陽光將反射光投射到集熱器。為了保證較高的集熱效率和避免風(fēng)作用破壞,對定日鏡在風(fēng)場的運(yùn)行狀況和安全性預(yù)測顯得尤為重要。定日鏡場一般在陽光充足但空曠多風(fēng)的地帶,通常設(shè)計(jì)要求在6級風(fēng)時(shí)電站能正常運(yùn)行,即鏡面變形誤差和跟蹤誤差在允許范圍內(nèi)且支撐結(jié)構(gòu)安全。

國外對太陽能光熱發(fā)電利用較早,建造了大量的電站,并取得了豐富的研究成果。早在20世紀(jì)60年代,Brosens［1,2］就對定日鏡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和振動響應(yīng)進(jìn)行了研究。Hoyer［3］在風(fēng)致響應(yīng)方面做了研究并提出相應(yīng)的建議。Bhumralkar［4］等利用數(shù)值模擬技術(shù)對太陽能光熱發(fā)電設(shè)備進(jìn)行了抗風(fēng)研究。國內(nèi)太陽能光熱發(fā)電起步較晚,各方面技術(shù)相對落后,在外部設(shè)備抵抗自然因素影響的研究上比較欠缺。本文基于CFD方法以Fluent6.3.26為計(jì)算平臺,模擬了大型塔式定日鏡在各種常見工況下的工作狀態(tài),對定日鏡風(fēng)載狀況進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。

2定日鏡模型的建立

2.1數(shù)值風(fēng)洞

計(jì)算風(fēng)工程其實(shí)質(zhì)是在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)虛擬的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,模擬實(shí)際工況下的工作過程。本文擬計(jì)算一個(gè)單柱立式方形平面定日鏡,凈面積64m2,平均分為16塊獨(dú)立小鏡子,小鏡子之間有大小不同的縫隙,大、小縫隙分別為0.1m和0.04m。定日鏡繞立柱的回轉(zhuǎn)中心離地4.6m,鏡面中心水平時(shí)離地5.1m,立柱和轉(zhuǎn)動軸通徑分別為0.6m和0.4m,模型如圖1所示。鑒于鏡面后方風(fēng)場較弱,定日鏡支架對風(fēng)場干擾很小,則略掉支架細(xì)梁,只保留立柱、轉(zhuǎn)動軸和鏡面等與風(fēng)作用強(qiáng)烈的主體結(jié)構(gòu)。

定日鏡寬度為8.18m,最大高度為8.69m,由多次試算后可取數(shù)值風(fēng)洞寬100m,高50m,長162m,定日鏡中心距風(fēng)流入口40m,距風(fēng)流出口122m。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,為了氣流通暢,應(yīng)保證一定的阻塞率,以免計(jì)算結(jié)果失真,該模型最大阻塞率為0.0134,具有良好的效果。

圖1數(shù)值風(fēng)洞和定日鏡模型

2.2工況選擇

定日鏡位置隨著太陽位置的變化而變化,在整個(gè)工作過程中,定日鏡有很多種工況,每一種工況都可能有風(fēng)作用,而每一種工況下風(fēng)荷載皆不相同。如圖2所示,設(shè)定日鏡回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn),垂直轉(zhuǎn)動軸并與風(fēng)流相反方向?yàn)閄軸正方向,轉(zhuǎn)動軸軸線為Z軸,垂直向上為Y軸。規(guī)定定日鏡繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動軸與Z軸正向所成的角為方位角,繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)鏡面與Y軸正向所成角為俯仰角,工位以“俯仰角-方位角”的形式表示,當(dāng)鏡面垂直地面且正面迎風(fēng)時(shí)工位00-00。理論上定日鏡工位有無數(shù)個(gè),顯然無法全部實(shí)現(xiàn)模擬,本文選取了俯仰角介于00-90之間,方位角介于00-80之間一共90種工位來計(jì)算,俯仰、方位角均每隔10°取一次組成一種工位。這些典型工位的風(fēng)荷載能代表定日鏡所有可能的風(fēng)荷載情況。

3模擬結(jié)果分析

3.1定日鏡流場分析

定日鏡運(yùn)行過程中,工況隨時(shí)在俯仰角0~90°之間,方位角0~±90°之間變化,造成了多種的工況,流場也時(shí)刻變化。定日鏡工作時(shí)受風(fēng)作用的情況類似于風(fēng)流繞過地面矩形障礙物的情況,只是鏡面與地面有較小的空隙,導(dǎo)致了流場有一定的差別。定日鏡前面為光滑面,背面有支撐鏡子轉(zhuǎn)動軸和立柱等構(gòu)件,背部流場更為復(fù)雜。

圖2工況示意圖

(a)塔式定日鏡工作示意圖

(b)俯仰角θ

(c)方位角γ圖3定日鏡工況00-00流場

正視圖 俯視圖

定日鏡前側(cè)視圖 定日鏡后側(cè)視圖

圖3所示為定日鏡工況00-00流場三視圖,整體來看,定日鏡后方流場較前方復(fù)雜得多。圖3中的正視圖和俯視圖清楚的顯示了風(fēng)流繞過定日鏡的情況。指數(shù)律剖面風(fēng)遇到定日鏡時(shí),受定日鏡的阻擋,中部風(fēng)流除小部分經(jīng)過鏡面縫隙被擠壓流出以外,部分風(fēng)流回流與后面來流共同作用產(chǎn)生一些不同尺度的渦旋改變風(fēng)流方向,讓中部風(fēng)流加速流向鏡面底部較大的空隙和鏡面上方。同理,大量的流體由于擠壓從定日鏡兩旁加速繞過。同一般的地面鈍體繞流的區(qū)別在于定日鏡是四邊繞流而不是三邊繞流,在定日鏡下方風(fēng)流沒有形成反向滾動的“駐渦區(qū)”。還因?yàn)樵阽R面中部存在縫隙,流體泄露,在鏡面偏上的位置沒有形成一個(gè)停滯點(diǎn),氣流并沒有在此上下分流。

定日鏡面的四周由于風(fēng)流體的加速分離形成負(fù)壓,流體在鏡面后上方形成一個(gè)較大的渦,兩側(cè)的流體繞過鏡面之后也向內(nèi)卷起一對漩渦,在鏡面底部和縫隙附近都形成了不同尺度的渦,共同形成了背面的低壓區(qū)。隨著定日鏡工況的變化,流場會發(fā)生相應(yīng)的變化,如圖4所示為幾種典型工況下的流場三維圖。隨著俯仰角的增加,鏡面背后漩渦尺度變小且更靠近鏡背面,渦區(qū)上移,底部流場變得順暢,直到俯仰角為90°時(shí),為順風(fēng)向,已沒有明顯大尺度漩渦,較小尺度的漩渦依附在定日鏡各個(gè)構(gòu)件處。當(dāng)定日鏡有一定方位角時(shí),鏡面后方左右兩側(cè)的漩渦尺度會發(fā)生變化,先接觸來流一側(cè)的逐漸增大而遠(yuǎn)離來流一側(cè)的逐漸減小,同時(shí)漩渦向后延伸,加之各方向的來流相互交織在遠(yuǎn)離來流鏡面后方形成一股翻滾扭曲亂流,直到方位角為90°時(shí),鏡面平行風(fēng)向,流場才無明顯渦區(qū)。模擬流場結(jié)果與S.Becker［7］等針對有關(guān)矩形結(jié)構(gòu)鈍體繞流問題利用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)研究了不同長寬比下空氣繞過矩形三維障礙物的流場相一致,具有較高的可信度。

00-00 30-00 60-00

90-00 00-30 00-60

圖4幾種典型工況的流場

3.2鏡面平均風(fēng)壓分布

定日鏡將太陽光反射到有效吸收區(qū)域必須隨著太陽光入射角的變化時(shí)刻變化,其中俯仰角的變化起著重要的作用。鏡面俯仰角的變化直接導(dǎo)致流場的改變,從而影響鏡面風(fēng)壓分布,得到完全不同的風(fēng)荷載。

圖5定日鏡正面平均風(fēng)壓分布隨俯仰角的變化

2014年5月綠色科技第5期圖5所示方位角為0°,俯仰角0~90°之間定日鏡正面平均風(fēng)壓分布情況,對比可以看出,在俯仰角為0°和10°附近時(shí),最大平均風(fēng)壓處于鏡面中上部,約2/3鏡面高度處,該處為流場中的“駐點(diǎn)”位置,這是風(fēng)流體直接撞擊鏡面的結(jié)果。最大風(fēng)壓區(qū)的位置隨著俯仰角的增加而逐漸下移,即向先接觸來流的鏡面邊緣移動,俯仰角從20°到40°的變化極為明顯。在變化過程中,最大風(fēng)壓值是有所增加的,局部較小區(qū)域增加明顯,如俯仰角在50°和60°附近時(shí),定日鏡底部與頂部受壓反差強(qiáng)烈。在俯仰角50°到60°和60°到70°之間的最大壓力區(qū)變化明顯,特別是60°到70°之間有突變,最大風(fēng)壓區(qū)移動到鏡面底部邊緣附近。當(dāng)?shù)?0°附近時(shí),最大壓力值已明顯變小,而且風(fēng)壓梯度相對緩慢。本文的模擬結(jié)果與M Ikhwan［8］研究金子塔形建筑不同傾角下的風(fēng)壓分布變化情況相似,發(fā)現(xiàn)建筑迎風(fēng)面上的最大風(fēng)壓區(qū)有隨傾角增加而下移的趨勢,且在傾角60°附近時(shí)下移劇烈,至鏡面底部邊緣。

定日鏡在風(fēng)流體繞過之后,鏡面背后產(chǎn)生漩渦區(qū),背面以負(fù)壓為主。圖6所示方位角為0°,俯仰角0~90°之間定日鏡背面平均風(fēng)壓分布情況,整體看來,風(fēng)壓梯度較小,最大最小風(fēng)壓區(qū)不明顯,各個(gè)風(fēng)壓梯度區(qū)相對均布,沒有明顯的變化規(guī)律。俯仰角較小時(shí),立柱與鏡面靠得較近,其距離小于此處漩渦尺度,與轉(zhuǎn)動軸共同對其造成干擾,影響了風(fēng)壓,如圖6中工況00-00和10-00所示,在立柱與轉(zhuǎn)動軸所對鏡面中下部的鏡面風(fēng)壓與相鄰區(qū)域風(fēng)壓有明顯差異。隨著俯仰角增加,背面平均負(fù)壓逐漸減小,但在70°時(shí)有較大負(fù)壓在底部邊緣產(chǎn)生。

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定日鏡所受風(fēng)荷載由正面和背面風(fēng)壓共同決定,壓差越大荷載越大。風(fēng)壓均布則定日鏡支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,如俯仰角在10°到30°附近時(shí),鏡面正背面風(fēng)壓處于均布狀態(tài),以立柱和轉(zhuǎn)動軸為軸的左右和上下鏡面受載均衡,盡管所受合力較大但力矩相對較小。處于力矩較大工況的定日鏡受力極不均衡,在某些部位承受了較大風(fēng)荷載,這些部位的鏡面材料和支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)?shù)玫郊訌?qiáng)。此外,從圖5能看出鏡面縫隙附近風(fēng)壓較其他區(qū)域有明顯不同,這顯然是縫隙造成的,但一定距離的縫隙本身對定日鏡風(fēng)荷載的影響是微乎其微的［9］。

方位角的變化也極大影響鏡面風(fēng)壓的分布,如圖7和圖8所示為俯仰角為0°時(shí),定日鏡正背面風(fēng)壓分布隨方位角的變化情況。隨著方位角的增加,最大風(fēng)壓區(qū)向靠近來流一側(cè)的鏡面移動同時(shí)風(fēng)壓值增大,到方位角60°左右時(shí),最大風(fēng)壓處于鏡面邊緣附近,而遠(yuǎn)離來流側(cè)風(fēng)壓很小,這也造成了繞豎直軸方向的較大力矩。背面風(fēng)壓還是負(fù)壓為主,在某些受結(jié)構(gòu)影響部位有正壓出現(xiàn),但對整體沒有實(shí)質(zhì)影響。

圖6定日鏡背面平均風(fēng)壓分布隨俯仰角的變化

圖7定日鏡正面平均風(fēng)壓分布隨方位角的變化

3.3常見工況荷載分析

對定日鏡風(fēng)荷載進(jìn)行模擬的最終目的是為設(shè)計(jì)定日鏡的支撐結(jié)構(gòu)提供計(jì)算依據(jù),需要得出不同工況下由風(fēng)作用產(chǎn)生的力矩、鏡面合力、各獨(dú)立小鏡子受力等。圖9所示為以定日鏡轉(zhuǎn)動中心為原點(diǎn),垂直鏡面為法線為X軸,立柱中心線為Y軸,轉(zhuǎn)動軸為Z軸時(shí)模擬計(jì)算得到的定日鏡各工況力矩和合力。X軸力矩是對定日鏡的翻滾矩,總體力矩不大,在方位角為50~60°附近時(shí),由于最大風(fēng)壓區(qū)下移到靠近來流一側(cè)的邊緣,致使力矩反向,當(dāng)方位角繼續(xù)增大時(shí),風(fēng)壓值急劇減小,力矩再次反向。Y軸力矩是對定日鏡的旋轉(zhuǎn)力矩,從b圖可以看出跟定日鏡的方位角有很大關(guān)系,在幾乎所有俯仰角位置上,隨著方位角的增加直到70°附近,定日鏡兩側(cè)受力不平衡越嚴(yán)重,力矩越來越大,80°時(shí)風(fēng)壓值急劇減小力矩變小。從c圖可以看出,俯仰角的變化對Z軸的力矩有很大的影響,而方位角的變化對力矩的變化相對較小。俯仰角0~10°附近的力矩為正,隨著俯仰角增加最大壓力區(qū)下移,力矩由正變負(fù),直到60~70°附近達(dá)到最大值,此時(shí)定日鏡底部鏡面受力最大,與圖5中60-00的鏡面壓力場相符。Y軸和Z軸力矩不僅對定日鏡傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的依據(jù),還對其精度分析有重大參考價(jià)值。另外,定日鏡在工況00-70和60-40附近存在最大力矩,受力嚴(yán)重不平衡,應(yīng)保證定日鏡安全。

圖8定日鏡背面平均風(fēng)壓分布隨方位角的變化

圖9定日鏡各工況風(fēng)荷載

圖d為定日鏡各工況下所受合力,隨著俯仰角和方位角的增加逐漸減小,主要是定日鏡垂直風(fēng)流面的面積不斷減小。常見工作工況中10-10和30-00有較大合力,此時(shí)對立柱根部的傾覆力矩較大,應(yīng)防止定日鏡遭到傾覆破壞。在俯仰角90°附近,定日鏡風(fēng)荷載都最小,此時(shí)可作為定日鏡遭遇特大風(fēng)時(shí)的避險(xiǎn)位置。

4結(jié)語

(1)通過數(shù)值模擬技術(shù)得到了塔式定日鏡遭受風(fēng)作用時(shí)各種工況下的流場和隨著鏡面轉(zhuǎn)動導(dǎo)致流場改變的情況,解釋了定日鏡風(fēng)荷載的成因,在鏡場布置設(shè)計(jì)時(shí)為風(fēng)荷載的評估預(yù)防提供重要考慮因素。

(2)理清了常見工況時(shí)鏡面風(fēng)壓分布情況,最大受壓區(qū)隨俯仰角和方位角的增加向靠近來流的鏡面一側(cè)移動,能預(yù)計(jì)鏡面的最大受壓區(qū),即薄弱區(qū)域,為鏡面及其支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供設(shè)計(jì)依據(jù),防止結(jié)構(gòu)破壞;找出鏡面承受的極限力矩,為傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供荷載同時(shí)也為傳動系統(tǒng)精度的控制提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)得到了各種工況下鏡面所受合力的情況,反應(yīng)了整體定日鏡的穩(wěn)定性;設(shè)計(jì)時(shí)必須保證在極限工況10-10和30-00附近不發(fā)生傾覆倒塌破壞,可把俯仰角為90°時(shí)的工況作為定日鏡的避險(xiǎn)位置。

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