碟式太陽能聚光器氣動特性和最大風(fēng)壓分布仿真分析

鄂加強,蘇秀超,Wenming YANG,王曙輝,劉 騰,左 威

(1. 湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082; 2. 新加坡國立大學(xué) 機械工程系，新加坡 117576)

碟式太陽能聚光器氣動特性和最大風(fēng)壓分布仿真分析

鄂加強1, 2?,蘇秀超1,Wenming YANG2,王曙輝1,劉 騰1,左 威1

(1. 湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082; 2. 新加坡國立大學(xué) 機械工程系，新加坡 117576)

針對碟式太陽能聚光器最佳避風(fēng)姿勢問題，采用流體控制方程建立了碟式太陽能聚光器流場模型，并將計算得到的流場流速和壓力再加載耦合到碟式太陽能聚光器前后表面，對碟式太陽能聚光器氣動特性和風(fēng)壓分布進行仿真分析.結(jié)果表明：①風(fēng)速對碟式太陽能聚光器表面中心區(qū)域最大風(fēng)壓影響很大，應(yīng)適當(dāng)提高碟式太陽能聚光器中心處的強度和剛度；②碟式太陽能聚光器的升力、阻力、側(cè)向力和最大表面風(fēng)壓隨風(fēng)速增加而增加，且最大表面風(fēng)壓增加幅度尤顯明顯，但是風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)速變化甚微；③不考慮流固耦合作用時碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和最大表面風(fēng)壓的計算值存在較大的誤差，在之后的計算中，應(yīng)考慮流固耦合作用；④碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓隨高度角和方位角的變化復(fù)雜，高度角為0°、方位角為45°姿勢時達(dá)到最大.

聚光器；虛擬風(fēng)洞實驗；氣動特性；太陽能；流固耦合

太陽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].對于碟式太陽能聚光器而言，風(fēng)的擾動作用是最大的不確定載荷，而影響碟式太陽能聚光器氣動載荷的最重要部位即是反射面.聚光器是一種在剛性金屬結(jié)構(gòu)支持下跟蹤太陽的反射鏡，由控制系統(tǒng)進行方位和角度的調(diào)整，然而太陽能發(fā)電系統(tǒng)往往都位于空曠的平整場地，大氣流動對于聚光器所產(chǎn)生的風(fēng)力作用較大，所以對于聚光器在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓研究就顯得尤為重要.目前有關(guān)表面風(fēng)壓的研究多集中于高層、大跨、低矮房屋等結(jié)構(gòu)上[3-6]，且關(guān)于碟式太陽能聚光器的研究主要集中在提高吸熱器能量轉(zhuǎn)化效率[7-10]、聚光器聚光效率[11-13]等方面，李正農(nóng)教授曾使用風(fēng)洞試驗的方法對太陽能定日鏡體型系數(shù)進行研究以實現(xiàn)對定日鏡結(jié)構(gòu)進行抗風(fēng)設(shè)計和定日鏡受風(fēng)作用時的風(fēng)振相應(yīng)的分析[14-15]，而對于碟式太陽能聚光器這樣特殊體型的結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載研究非常少.風(fēng)洞試驗是常用的計算結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷的方法，成本高、周期長，而數(shù)值仿真方法可以快速準(zhǔn)確地得到模型受風(fēng)作用時的模型風(fēng)效應(yīng)情況，避免了風(fēng)洞試驗由于忽略細(xì)節(jié)而引起的計算誤差，從而顯示出蓬勃生機[16-18].國內(nèi)外學(xué)者也提出過多種風(fēng)載荷計算方法[19-21].

因此，本文采用簡化的物理模型和高精度的數(shù)值算法，對處于恒風(fēng)速虛擬風(fēng)洞實驗下的碟式太陽能聚光器進行氣動載荷分析，獲得碟式太陽能聚光器氣動載荷分布，為改進碟式太陽能聚光器的結(jié)構(gòu)以及對工程實踐中的最佳避風(fēng)姿勢問題提供理論依據(jù).

1 基于虛擬風(fēng)洞實驗的碟式太陽能聚光器仿真模型

1.1 碟式太陽能聚光器物理模型

碟式太陽能聚光器三維簡化模型主要包括底座、平衡塊、支架、聚光器、懸臂梁、接收器等.本文僅就聚光器表面風(fēng)壓進行分析研究，因此抽取出聚光器模型，該模型直徑為17 m，厚度為27 mm，在建模過程中即建好不同工況下的16個模型(由高度角α和方位角β體現(xiàn))，如圖1所示.

圖1 聚光器三維簡化模型

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)聚光器直徑約為17 m，厚度為0.027 m，為保證氣流在流體域內(nèi)的流動達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài)，流體域的長度尺寸約為碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)聚光器尺寸的10倍，流體域的寬度和高度約為聚光器尺寸的5倍，經(jīng)過多次建模仿真，確定流體域的尺寸為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2所示.

圖2 聚光器流場網(wǎng)格及加密區(qū)域

對模型進行設(shè)定，將空氣看作連續(xù)介質(zhì)、無壓縮粘性流體.網(wǎng)格的類型和數(shù)量對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性具有很大的影響.對該模型的流體區(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，易于進行網(wǎng)格自適應(yīng).為了更準(zhǔn)確地模擬聚光器周圍流場特性，對聚光器周圍區(qū)域有遠(yuǎn)及近逐步加密.

1.2 碟式太陽能聚光器風(fēng)荷載數(shù)學(xué)模型

由于風(fēng)載作用于碟式太陽能聚光器是瞬時的不穩(wěn)定的載荷，在分析中不能忽略結(jié)構(gòu)的慣性，就必須采用動態(tài)分析.為分析問題方便，不妨以下標(biāo)f表示流體，下標(biāo)s表示固體.

1.2.1 流體控制方程

流體流動要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律.如果流體中包含混合的其他成分，系統(tǒng)還要遵循組分守恒定律.對于一般的可壓縮牛頓流來說守恒定律通過如下控制方程描述.

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中τ為時間，s；為哈密頓算子，=(?/?x)i+(?/?y)j+(?/?z)k；ρf為流體密度，kg/m3，v為流體速度，m/s.

動量守恒方程：

(2)

式中ff為體積力，kg/(m2·s2)；τf為剪切力，Pa，可表示為：

(3)

式中p為流體壓強，Pa；μ為動力粘度，Pa·s；I為單位張量；e為速度應(yīng)力張量，e=(▽v+▽vT)/2.

1.2.2 固體控制方程

固體質(zhì)量守恒方程：

(4)

式中ρs為固體密度;σs為柯西應(yīng)力張量，Pa；fs為體積力，kg/(m2·s2)；ds為固體域當(dāng)?shù)匚灰疲琺.

上述流體和固體控制方程都沒有考慮能量方程，若考慮流體、固體的能量傳遞，需要添加能量方程，對于流體部分總焓htot形式的能量方程可以寫成如下形式：

▽·(v·τf)+v·ρff+SE

(5)

式中λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；SE為能量源項，W.

1.2.3 流固耦合方程

在流固耦合的區(qū)域，風(fēng)載荷對碟式太陽能聚光器的壓力可改變碟式太陽能聚光器的變形量，而后者反過來又會影響碟式太陽能聚光器上下游的氣流流速和壓力的分布.故將計算得到的碟式太陽能聚光器流場流速和壓力再加載到聚光器的前后表面，并對流體控制方程和固體控制方程進行耦合求解.

碟式太陽能聚光器流固耦合遵循最基本的守恒原則，所以在流固耦合交接面處，應(yīng)滿足流體應(yīng)力τf與固體應(yīng)力τs、流體位移df和固體位移ds、流體熱流量qf和固體熱流量qs、流體溫度Tf和固體溫度Ts等變量相等，即滿足如下4個方程：

(6)

式中nf為流固耦合交接面處流體法向單位矢量；ns為流固耦合交接面處固體法向單位矢量.

1.3 碟式太陽能聚光器風(fēng)力分析

風(fēng)力N與流體密度ρ、流速v、流體的粘性μ、碟式太陽能聚光器的主要尺寸D有關(guān)，故風(fēng)力N可表示為：

(7)

用因式分解法可得：

(8)

因為碟式太陽能聚光器的主要尺寸D2正比于碟式太陽能聚光器的特征面積A(即D2∝A)，雷諾數(shù)Re=ρvD/μ，故式(8)可表示為：

N=0.5ρv2ACF

(9)

式中CF為風(fēng)力系數(shù)，CF=f(Re).

因此，碟式太陽能聚光器表面風(fēng)壓載荷可表示為：

p=0.5ρv2CF

(10)

如圖3所示，將總風(fēng)力進行分解，得到不同工況下升力NL、阻力ND、側(cè)向力NC，升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD、側(cè)向力系數(shù)CC的計算公式如下：

(11)

(12)

(13)

式中ρ為空氣密度，ρ=1.184 15 kg/m3;v為風(fēng)速;A為聚光器在迎風(fēng)面的面積.

對于同一個物體，當(dāng)風(fēng)向不同時，風(fēng)力也不同，但為了計算方便，無論風(fēng)向如何，公式中的A要取一個相同值，本文中總?cè)【酃馄鞲叨冉菫?°、方位角為0°時的最大面積A=222.510 2 m2.β為聚光器高度角，α為聚光器方位角.

圖3 碟式太陽能聚光器受力圖

1.4 碟式太陽能聚光器仿真條件設(shè)定

設(shè)置邊界條件之前需對模型的流體域進行設(shè)置，流體域中所選流體為空氣，氣溫為常溫且絕熱，參考壓強為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，所選的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型，在該流體域內(nèi)設(shè)置邊界條件.對該計算流體而言，通過模擬風(fēng)洞實驗的方式，采用3種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，入口初始風(fēng)速分為恒定風(fēng)速，流體流動為不可壓縮流體流動，入口風(fēng)速v=15 m/s,v=20 m/s和v=25 m/s.

2)出口邊界條件：出口處的邊界條件采用壓力出口邊界條件，壓強為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

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.對于粘性流體，采用粘附條件，即認(rèn)為壁面處流體速度與壁面該處的速度相同，無滑移壁面的速度為零，壁面處流體速度為零.聚光器表面和地面是固定不動，不發(fā)生移動的，所以采用無滑移的壁面條件；而流體域的頂面和前后面采用滑移邊界條件.

對碟式太陽能聚光器流體域進行數(shù)值模擬時，不考慮熱交換，即不考慮能量方程.因為流體介質(zhì)是空氣，具有不可壓縮性，密度為常數(shù).

1.5 碟式太陽能聚光器流體域流固耦合求解

碟式太陽能聚光器流體域流固耦合求解流程如圖4所示.具體求解步驟如下：

Step1 利用CFD軟件求解碟式太陽能聚光器表面所受平均風(fēng)壓pe1和最大風(fēng)壓pmax1；

Step2 利用靜力計算程序確定結(jié)構(gòu)在平均風(fēng)壓pe1和最大風(fēng)壓pmax1作用下的平均變形量δe1和最大變形量δmax1，此時碟式太陽能聚光器表面變形會導(dǎo)致碟式太陽能聚光器表面風(fēng)力系數(shù)發(fā)生變化；

Step3 在平均變形量δe1和最大變形量δmax1的基礎(chǔ)上，再次利用CFD軟件求解碟式太陽能聚光器表面的平均風(fēng)壓pe2和最大風(fēng)壓pmax2；

Step4 利用靜力計算程序確定結(jié)構(gòu)在平均風(fēng)壓pe2和最大風(fēng)壓pmax2作用下的平均變形量δe2和最大變形量δmax2；

Step5 如果δe1≈δe2，平均風(fēng)壓pe2就是與碟式太陽能聚光器表面平均變形對應(yīng)的平均風(fēng)壓，否則重復(fù)Step1～4，繼續(xù)求解δei及其對應(yīng)的平均風(fēng)壓pei，直到δe(i-1)≈δei為止.此時平均風(fēng)壓pei就是與碟式太陽能聚光器表面平均變形對應(yīng)的平均風(fēng)壓.

圖4 碟式太陽能聚光器流體域流固耦合求解流程

2 基于虛擬風(fēng)洞實驗的碟式太陽能聚光器氣動特性和風(fēng)壓分布仿真分析

基于碟式太陽能聚光器模型在風(fēng)場中遵循的各項理論，對其進行風(fēng)場數(shù)值仿真模擬實驗.影響碟式太陽能聚光器流場特性的因素有多種，其中影響程度較大的主要有風(fēng)速v、聚光器高度角β、方位角α(風(fēng)向角本也是其影響因素之一，但本文中將風(fēng)向角轉(zhuǎn)變?yōu)榈教柲芫酃馄鞯姆轿唤莵砜紤]).考慮到碟式太陽能聚光器工作的多工況性，本文選取3種常見典型風(fēng)速(15 m/s,20 m/s,25 m/s)、4種不同高度角(0°,30°,60°,90°)和5種不同方位角(0°,45°,90°,135°,180°)進行組合所得到的48種工況，然后針對這48種工況對碟式太陽能聚光器氣動特性和風(fēng)壓分布進行仿真分析.

2.1 碟式太陽能聚光器壓強分布影響分析

高度角為0°、方位角為0° 時，碟式太陽能聚光器反射面壓強分布云圖如圖5所示.由圖5可以得知，當(dāng)?shù)教柲芫酃馄饔嬎阌蛉肟陲L(fēng)速由v=15 m/s不斷增大到v=25 m/s時，碟式太陽能聚光器反射面受到的壓強也隨之增大，且碟式太陽能聚光器中心區(qū)域的風(fēng)壓較大，而遠(yuǎn)離中心區(qū)域的風(fēng)壓較小，這是由于風(fēng)載荷作用于碟式太陽能聚光器表面時，風(fēng)向碟式太陽能聚光器的中心聚焦，而在碟式太陽能聚光器邊緣出現(xiàn)脫離，而且在風(fēng)速增大過程中，高壓區(qū)有不斷擴大且上移的趨勢，應(yīng)適當(dāng)提高碟式太陽能聚光器中心處的強度和剛度.

(a) v=15 m/s

(b) v=20 m/s

(c) v=25 m/s

碟式太陽能聚光器在相同高度角與恒定風(fēng)速下反射面壓強隨方位角變化的分布云圖如圖6所示.由圖6可以得知，當(dāng)恒定風(fēng)速為15 m/s時，不同姿態(tài)下的碟式太陽能聚光器的壓力分布不同，在高度角β=0°和方位角α=0°時，碟式太陽能聚光器中心區(qū)域的風(fēng)壓較大，而遠(yuǎn)離碟式太陽能聚光器中心區(qū)域的壓力較小，這是由于風(fēng)載荷作用于碟式太陽能

聚光器時，風(fēng)載荷向碟式太陽能聚光器中間聚集，而在碟式太陽能聚光器邊緣出現(xiàn)脫離；聚光器在靠近來流方向的位置壓力較大，而遠(yuǎn)離來流方向，壓力相對較小.當(dāng)改變恒定風(fēng)速為20 m/s或25 m/s時，碟式太陽能聚光器在高度角β=0°時反射面壓強相應(yīng)增加，但其隨方位角變化趨勢與如圖6基本相似.

(a) α=0°

(b) α=45°

(c) α=90°

(d) α=135°

2.2 碟式太陽能聚光器氣動特性分析

得到不同工況下碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和最大表面風(fēng)壓分別如表1所示.

表1 不同工況下聚光器迎風(fēng)面最大風(fēng)壓和風(fēng)力系數(shù)

由于碟式太陽能聚光器升力來源于聚光器的上、下表面的壓力差，阻力來源于聚光器的前、后表面的壓力差，而側(cè)力則來源于聚光器的左、右表面的壓力差.

當(dāng)?shù)教柲芫酃馄鞯母叨冉呛头轿唤蔷鶠?°時，碟式太陽能聚光器有效迎風(fēng)面積最大，相比于其他姿態(tài)，其表面峰值壓力增大，并在背風(fēng)區(qū)形成的空氣負(fù)壓區(qū)壓力絕對值增大，壓強差的增大也就造成碟式太陽能聚光器阻力的增大.在相同的風(fēng)速下，隨著高度角的增加，碟式太陽能聚光器前后表面空氣流場的相互干擾，使碟式太陽能聚光器迎風(fēng)面流動受阻，負(fù)壓絕對值峰值增大，碟式太陽能聚光器前后表面的壓力差形成背風(fēng)面分離渦，導(dǎo)致碟式太陽能聚光器的升力隨之相應(yīng)增大.而當(dāng)方位角為0°、高度角為90°時，聚光器受側(cè)向力最大，此時聚光器凹面正朝上方，風(fēng)從正側(cè)面吹來，側(cè)向力最大.

隨著風(fēng)速的增加，碟式太陽能聚光器的升力、阻力、側(cè)向力和最大表面風(fēng)壓也隨之增加，且最大表面風(fēng)壓增加幅度尤顯明顯；然而風(fēng)力系數(shù)只與物理的形狀和雷諾數(shù)Re有關(guān)，該模型的數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同的風(fēng)力系數(shù)大小有別，但是各自隨風(fēng)速的變化甚微，在一定程度上可忽略其變化.表1表明，當(dāng)不考慮流固耦合作用時，碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)CL2,阻力系數(shù)CD2,側(cè)向力系數(shù)CC2和最大表面風(fēng)壓pmax2明顯地小于考慮流固耦合作用時的碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)CL1,阻力系數(shù)CD1和側(cè)向力系數(shù)CC1以及最大表面風(fēng)壓pmax1，不考慮流固耦合作用時碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)變化率ηL、阻力系數(shù)變化率ηD、側(cè)向力系數(shù)變化率ηC和最大表面風(fēng)壓變化率ηp的最大值分別為19.6%,22.6%,25.5%和34.7%，其最小值分別為3.48%,2.73%,3.39%和15.5%.顯然，不考慮流固耦合作用時，會給碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)CL,阻力系數(shù)CD,側(cè)向力系數(shù)CC和最大表面風(fēng)壓pmax的計算帶來較大的誤差.

2.3 碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓變化分析

由于最大風(fēng)壓往往只是出現(xiàn)在某個點位置，所以用曲線圖表示最大風(fēng)壓的變化趨勢更加直觀.碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓隨方位角、風(fēng)速和高度角的變化趨勢曲線圖分別如圖7,圖8和圖9所示.

由圖7可以得知，當(dāng)?shù)教柲芫酃馄饔嬎阌蛉肟陲L(fēng)速不斷增大時，碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓pmax也隨之增大.風(fēng)速不同、相同高度角下聚光器表面最大風(fēng)壓隨方位角的變化趨勢相同.當(dāng)β=0°和β=30°時，最大風(fēng)壓呈現(xiàn)隨方位角的增加而先增后減再增的趨勢；β=60°時，最大風(fēng)壓呈現(xiàn)隨方位角的增大先減后增再減的變化趨勢；當(dāng)β=90°時，碟式太陽能聚光器凹面正向上，方位角并不改變其姿態(tài)，表面最大風(fēng)壓pmax不隨方位角的變化而變化，其值只由風(fēng)速的大小所決定.圖7表明，當(dāng)風(fēng)速由v=15 m/s分別增加為v=20 m/s,v=25 m/s時，其最大風(fēng)壓分別增加了53.5%和137.4%.

α/(°)

α/(°)

α/(°)

由圖8可以得知，不同高度角下的碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓pmax曲線隨計算域入口風(fēng)速v的增加呈現(xiàn)近似線性增加的趨勢.計算域入口風(fēng)速v較小時，高度角和方位角對碟式太陽能聚光器反射面受到的最大壓強pmax影響都較小.當(dāng)計算域入口風(fēng)速v>20 m/s后，方位角不同使得聚光器表面最大風(fēng)壓有所差別，且表面最大風(fēng)壓隨風(fēng)速升高的增大幅度稍有所增加.當(dāng)高度角β和計算域入口風(fēng)速v相同時，方位角α=90°時的碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓pmax為最大，方位角α=135°時的碟式太陽能聚光器最大風(fēng)壓pmax為最小，這主要是因為方位角α=90°時作用于碟式太陽能聚光器法向風(fēng)載荷較大，而方位角α=135°時作用于碟式太陽能聚光器法向風(fēng)載荷較小的緣故.

v/(m·s-1)

v/(m·s-1)

如圖9所示，不同風(fēng)速時，聚光器表面最大風(fēng)壓隨高度角的變化趨勢并不完全相同，這主要是因為高度角改變使得流場更加復(fù)雜化，致使風(fēng)速增加不僅僅使流場的各強度和現(xiàn)象增強，而有可能使流場某些位置發(fā)生質(zhì)的改變.方位角是0°時，隨高度角增大，最大風(fēng)壓pmax呈先增后減的變化趨勢；風(fēng)速增大會使這種變化趨勢更明顯；其他工況下，風(fēng)速和方位角不變時，最大風(fēng)壓pmax呈現(xiàn)隨高度角的增加而先減后增的趨勢，而且風(fēng)速的增大會使這種變化趨勢更加明顯.

β/(°)

β/(°)

β/(°)

3 結(jié) 論

1)碟式太陽能聚光器表面中心區(qū)域存在最大風(fēng)壓區(qū)域，且隨著風(fēng)速的增大而不斷增加，應(yīng)適當(dāng)提高碟式太陽能聚光器中心處的強度和剛度.

2)隨著風(fēng)速的增加，碟式太陽能聚光器的升力、阻力、側(cè)向力和最大表面風(fēng)壓也隨之增加，且最大表面風(fēng)壓增加幅度尤顯明顯，但是風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)速變化甚微.

3)不考慮流固耦合作用時碟式太陽能聚光器的升力系數(shù)變化率ηL、阻力系數(shù)變化率ηD、側(cè)向力系數(shù)變化率ηC和最大表面風(fēng)壓變化率ηp的最大值分別為19.6%,22.6%,25.5%和34.7%，其最小值分別為3.48%,2.73%,3.39%和15.5%.

4)碟式太陽能聚光器表面最大風(fēng)壓隨高度角和方位角的變化復(fù)雜，高度角為0°,方位角為45°姿勢時達(dá)到最大.

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Simulation Analysis on the Aerodynamic Characteristics and Maximum Wind Pressure Distribution of Dish Solar Concentrator

E Jia-qiang1,2?, SU Xiu-chao1, Wenming YANG2, WANG Shu-hui1,LIU Teng1, ZUO Wei1

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082, China;2.Dept of Mechanical Engineering, National Univ of Singapore, 9 Engineering Drive 1, Singapore 117576)

For the problem of the optimal shelter posture of dish solar concentrator, the flow fluid model of a dish solar concentrator was established by using fluid control equations, the calculated flow velocity and pressure were then loaded into the front and back surfaces of the dish solar concentrator, and then simulation analysis of the aerodynamic characteristics and pressure distribution of dish solar concentrator was carried out. The results show that wind speed has great influence on the maximum pressure of the central area of the dish solar concentrator surface and the strength and rigidity at the center of the dish solar concentrator should be improved. Besides, the lift force, drag force, lateral force and maximum surface pressure of the dish solar concentrator increase with the increase of wind speed, especially the maximum surface pressure, while wind coefficients change little with the change of wind speed. In addition, relatively big errors exist in the calculated values of lift force coefficient, drag coefficient, lateral force coefficient and maximum surface pressure when not considering the effect of fluid-structure interaction. Moreover, the maximum surface pressure of dish solar concentrator varies intricately with change of azimuth angle, and elevation angle and it reaches to maximum when the elevation angle is 0° and the azimuth angle is 45°.

concentrator; virtual wind tunnel experiments; aerodynamic characteristics; solar energy; fluid-structure interaction

1674-2974(2015)02-0008-09

2014-01-13

國家留學(xué)基金資助項目(201208430262)；武器裝備預(yù)研重點項目(9140A2011QT4801)

鄂加強(1972-)，男，湖南湘潭人，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:ejiaqiang@126.com

TK514

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