下?lián)舯┝鳑_擊作用下定日鏡風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

吉柏鋒，趙進(jìn)新，姜峰

（1.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510275；3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

根據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，到2050年太陽能發(fā)電將滿足全球電力總需求的27%，其中太陽能熱發(fā)電將提供11%的電力[1]。在塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，定日鏡的穩(wěn)定問題極大地影響發(fā)電的高效性和安全性。實(shí)際工況下，定日鏡場一般位于野外開闊平坦的場地上，極易受到強(qiáng)風(fēng)作用的侵襲，風(fēng)荷載是影響其穩(wěn)定性的主要因素之一[2]。早在20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外學(xué)者就已經(jīng)開始對定日鏡的抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。Sment J[3]通過現(xiàn)場實(shí)測的方式，對定日鏡場中4 m和7 m高度處的風(fēng)場特性進(jìn)行了研究。Pfahl A[4]通過風(fēng)洞試驗(yàn)，測得了定日鏡在不同高寬比和雷諾數(shù)下的風(fēng)荷載系數(shù)。馬瑞霞[5]依托國家級超級計(jì)算中心分析出定日鏡群在大氣邊界層近地風(fēng)作用下的周圍風(fēng)場特性。尹旭[6]基于計(jì)算流體動力學(xué)方法分析了定日鏡繞流風(fēng)場的分布特征及產(chǎn)生原因。

綜上，已有的定日鏡抗風(fēng)研究主要是基于大氣邊界層近地風(fēng)。我國是下?lián)舯┝靼l(fā)生的高頻國家，全國各地均存在發(fā)生下?lián)舯┝鞯目赡苄訹7]。下?lián)舯┝鞫喈a(chǎn)生于雷暴天氣環(huán)境中，其瞬時(shí)風(fēng)速可超過60 m/s，是一種生成于地面或近地面附近并且極具突發(fā)性和破壞性的強(qiáng)下沉氣流[8]。這種強(qiáng)風(fēng)作用會對其范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)造成很大的影響。吉柏鋒[9]通過數(shù)值模擬，對比分析了下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風(fēng)場和常規(guī)風(fēng)場中定日鏡表面的風(fēng)壓分布特征的不同，但實(shí)際上，下?lián)舯┝髟谛纬伞⑾鲁梁蛿U(kuò)散過程中，風(fēng)速具有很強(qiáng)的瞬態(tài)特征，在下?lián)舯┝鳑_擊地面并沿地面擴(kuò)展整個(gè)過程中，定日鏡的受力特性變化大。本文基于計(jì)算流體動力學(xué)方法，研究分析了下?lián)舯┝魉矐B(tài)風(fēng)場中不同俯仰角下的定日鏡周圍風(fēng)環(huán)境時(shí)變特性，為提高定日鏡在下?lián)舯┝黠L(fēng)場中的穩(wěn)定性提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

近來年，一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用沖擊射流模型對下?lián)舯┝鬟M(jìn)行數(shù)值模擬，得到的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好[10]。因此，本文采用三維對稱的沖擊射流模型，利用其中心對稱性，選取沖擊射流模型的四分之一區(qū)域作為計(jì)算域，設(shè)定下?lián)舯┝黠L(fēng)場的初始出流速度Vjet=18 m/s，初始出流直徑Djet=600 m，初始速度入口位置到地面的距離為2Djet，計(jì)算域高度和徑向長度分別為4Djet和10Djet，計(jì)算域如圖1所示。Wu[11]發(fā)現(xiàn)定日鏡的風(fēng)載效應(yīng)受面板之間的間隙影響較小，因此本文選取長寬均為10.28 m的整塊面板作為定日鏡模型。定日鏡與下?lián)舯┝黠L(fēng)暴中心的徑向距離為1Djet。

圖1 下?lián)舯┝黠L(fēng)場計(jì)算域Fig.1 Calculation domain of downburst wind field

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

為獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算效率，對整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行分塊劃分，近地面及定日鏡周圍的區(qū)域網(wǎng)格相對密集，遠(yuǎn)離地面和定日鏡的區(qū)域網(wǎng)格相對稀疏。不同流域交界面的邊界條件定義為Interface，保證不同流域之間數(shù)據(jù)共通。采用混合網(wǎng)格劃分的方法，將定日鏡嵌套在一個(gè)較小的長方體流域中，定日鏡繞自身水平中心軸轉(zhuǎn)動，以追蹤太陽光，獲得較好的聚光效率。當(dāng)俯仰角β=90°時(shí)，采取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對包裹定日鏡的嵌套小體流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；當(dāng)β=30°，45°，60°時(shí)，采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對包裹定日鏡的嵌套小體流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2為β=90°時(shí)下?lián)舯┝黠L(fēng)場的計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格總體數(shù)量為818萬。

圖2 下?lián)舯┝黠L(fēng)場計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Calculation grid of downburst wind field

1.3 邊界條件

速度入口和壓力出口設(shè)置的邊界條件一致：湍流強(qiáng)度為1%，水力直徑為600 m。出流速度Vjet=18 m/s，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，控制壁面Y+值為30～70，滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)條件。對稱面設(shè)置為Symmetry，滑移壁面設(shè)置為零剪應(yīng)力。

1.4 計(jì)算參數(shù)

利用CFD程序Fluent 16.0完成對控制方程的求解，下?lián)舯┝鳑_擊定日鏡的過程存在流動分離和二次附著現(xiàn)象，Realizable k-ε湍流模型在流動分離和二次流的復(fù)雜流動計(jì)算中表現(xiàn)更佳，因此湍流模型采用基于各向異性的Realizable k-ε湍流模型，壓力和速度的耦合方式采用SIMPLEC，離散格式采用截?cái)嗾`差較小的二階迎風(fēng)格式。距離定日鏡四周4 m位置處設(shè)置4個(gè)速度監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)速度不再隨迭代次數(shù)增加而變化，且x，y和z動量，湍動能k、湍流耗散率ε、和質(zhì)量連續(xù)方程相對殘差小于1.0×10-5，則可判定計(jì)算收斂。根據(jù)計(jì)算不同工況下的計(jì)算網(wǎng)格，通過控制庫朗數(shù)（Courant Number）為0.5，來確定各計(jì)算工況時(shí)間步長。

1.5 有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證下?lián)舯┝黠L(fēng)場數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，將本文數(shù)值模擬得到的風(fēng)剖面與Hjelmfelt[12]和Letchford[13]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、Vicory[14]和Wood[15]的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 下?lián)舯┝黠L(fēng)剖面有效性驗(yàn)證Fig.3 Validity verification of downburst wind profile

圖中：v/vmax為無量綱風(fēng)速；z/zmax為無量綱高度。根據(jù)圖3可知，本文模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)剖面數(shù)據(jù)與已有實(shí)測和物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)吻合良好。

2 定日鏡周圍風(fēng)環(huán)境

通過改變定日鏡的俯仰角（β=30°，45°，60°，90°），研究俯仰角變化對其周圍風(fēng)環(huán)境時(shí)變特性的影響。選用最不利風(fēng)向角，即來流正對定日鏡表面。在下?lián)舯┝鳑_擊過程中，當(dāng)t=90～114 s時(shí)，氣流到達(dá)定日鏡表面并迅速發(fā)展，t=114～126 s時(shí)，風(fēng)速達(dá)到最大值且基本穩(wěn)定，t=126～138 s時(shí)，氣流逐漸離開定日鏡且開始衰弱。選取從下?lián)舯┝鞯竭_(dá)至離開定日鏡的時(shí)段（t=90～138 s）進(jìn)行研究。

2.1 定日鏡繞流風(fēng)速

圖4為β=30°時(shí)不同時(shí)刻下定日鏡周圍的風(fēng)速云圖。其中參考風(fēng)速Uref=Vjet=18 m/s，定義U/Uref為速度的無量綱數(shù)。

圖4 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=30°時(shí)定日鏡周圍的風(fēng)速云圖Fig.4 Wind velocity contours around the heliostat during downburst impact atβ=30°

由圖4可知，當(dāng)β=30°時(shí)，t=90～114 s（即下?lián)舯┝鞯陌l(fā)展期）定日鏡周圍風(fēng)速急劇增加，高速流域位于定日鏡下方和左右兩側(cè)，峰值區(qū)域的范圍呈現(xiàn)先減小后增大的變化特征，谷值區(qū)域的范圍先增大后減小，且變化幅度較??；t=114～126 s下?lián)舯┝黠L(fēng)速達(dá)到峰值并保持相對穩(wěn)定，峰值區(qū)域和谷值區(qū)域范圍變化不明顯；當(dāng)t=126～138 s（即下?lián)舯┝鞯乃ト跗冢┒ㄈ甄R周圍風(fēng)速迅速減小，峰值區(qū)域范圍減小，但谷值區(qū)域范圍無顯著變化。

圖5為β=45°時(shí)，不同時(shí)刻下定日鏡周圍風(fēng)速云圖。由圖5可知，當(dāng)β=45°時(shí)，在下?lián)舯┝鞯陌l(fā)展期，定日鏡周圍U/Uref峰值迅速增大至1.5，不同位置的高峰值區(qū)域范圍變化有較大差別，左右兩側(cè)先略微減小后迅速增大，下方未發(fā)生顯著變化，而上方逐漸出現(xiàn)了大范圍峰值區(qū)域。當(dāng)下?lián)舯┝靼l(fā)展到頂點(diǎn)時(shí)，定日鏡周圍風(fēng)速保持基本穩(wěn)定，上下方的風(fēng)速峰值較左右兩側(cè)略大，峰值區(qū)域和谷值區(qū)域范圍基本不變；當(dāng)下?lián)舯┝鬟M(jìn)入衰弱期，定日鏡周圍風(fēng)速驟減，峰值區(qū)域范圍減小，谷值區(qū)域范圍略增。

圖5 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=45°時(shí)定日鏡周圍的風(fēng)速云圖Fig.5 Wind velocity contours around the heliostat during downburst impact atβ=45°

圖6為β=60°時(shí)，不同時(shí)刻下定日鏡周圍的風(fēng)速云圖。

圖6 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=60°時(shí)定日鏡周圍的風(fēng)速云圖Fig.6 Wind velocity contours around the heliostat during downburst impact atβ=60°

由圖6可知：當(dāng)β=60°時(shí)，在下?lián)舯┝鞯陌l(fā)展期，定日鏡周圍峰值迅速增大至1.4，左右方的峰值區(qū)域范圍先減小后急劇變大，但上下方的峰值區(qū)域范圍呈現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn)，后方的谷值區(qū)域范圍明顯增大；下?lián)舯┝靼l(fā)展至頂點(diǎn)后，定日鏡周圍風(fēng)速峰值基本保持穩(wěn)定；當(dāng)下?lián)舯┝鏖_始衰弱，定日鏡周圍風(fēng)速峰值急劇減小，峰值區(qū)域和谷值區(qū)域范圍也隨之減小。

圖7為β=90°時(shí)，不同時(shí)刻下定日鏡周圍的風(fēng)速云圖。

圖7 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=90°時(shí)定日鏡周圍的風(fēng)速云圖Fig.7 Wind velocity contours around the heliostat during downburst impact atβ=90°

由圖7可知，當(dāng)β=90°時(shí)（即定日鏡與地面垂直），伴隨下?lián)舯┝鞯难葑?，定日鏡周圍風(fēng)速在氣流發(fā)展期急劇增大，峰值區(qū)域和谷值區(qū)域范圍也迅速增加；在下?lián)舯┝靼l(fā)展到頂點(diǎn)時(shí)，定日鏡周圍U/Uref峰值保持在1.4，峰值區(qū)域范圍基本保持穩(wěn)定，谷值區(qū)域范圍發(fā)生較大程度的減??；隨著下?lián)舯┝鬟M(jìn)入衰弱期，定日鏡周圍風(fēng)速峰值開始驟減，峰值區(qū)域范圍減小，谷值區(qū)域范圍變化不大。

在下?lián)舯┝鞯难葑冞^程中，不同俯仰角的定日鏡繞流風(fēng)速均表現(xiàn)為先增大后減小的變化特征。這種現(xiàn)象是由下?lián)舯┝魈匦砸鸬?，下?lián)舯┝髟跊_擊地面的過程中，水平風(fēng)速先增大，在距離風(fēng)暴中心r=1Djet左右的位置上達(dá)到峰值，隨后開始衰弱。在下?lián)舯┝鳑_擊定日鏡的同一時(shí)刻下，β越大，定日鏡周圍的峰值區(qū)域和谷值區(qū)域范圍越大，這是因?yàn)闅饬魍ㄟ^定日鏡時(shí)發(fā)生鈍體繞流現(xiàn)象，來流遭到定日鏡阻礙后，加速從左右兩側(cè)通過，在其兩側(cè)形成高流速區(qū)域，后方形成低流速區(qū)域，當(dāng)β增大，定日鏡迎風(fēng)面范圍增大，對來流的阻礙作用增強(qiáng)，鈍體繞流現(xiàn)象更為顯著。值得注意的是，當(dāng)定日鏡處于小俯仰角狀態(tài)時(shí)，上方無峰值區(qū)域，但下方的峰值區(qū)域范圍最大，因此小俯仰角狀態(tài)定日鏡下方的危險(xiǎn)程度較高。

2.2 定日鏡繞流風(fēng)場特性

圖8～11分別為β=30°，45°，60°，90°時(shí)，不同時(shí)刻下定日鏡周圍的流線圖。

圖8 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=30°時(shí)定日鏡周圍的流線圖Fig.8 Streamline around the heliostat during downburst impact atβ=30°

圖9 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=45°時(shí)定日鏡周圍的流線圖Fig.9 Streamline around the heliostat during downburst impact atβ=45°

圖10 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=60°時(shí)定日鏡周圍的流線圖Fig.10 Streamline around the heliostat during downburst impact atβ=60°

圖11 下?lián)舯┝鳑_擊過程中β=90°時(shí)定日鏡周圍的流線圖Fig.11 Streamline around the heliostat during downburst impact atβ=90°

當(dāng)β=30°時(shí)，在下?lián)舯┝鳑_擊作用下，流體從定日鏡下部繞流至背后，在其后方產(chǎn)生一個(gè)豎向渦流，且其規(guī)模和密度在下?lián)舯┝鞯臎_擊過程中未發(fā)生顯著變化。當(dāng)β=45°時(shí)，隨著沖擊過程的演變，定日鏡后方豎向渦流數(shù)量增加到兩個(gè)，這是由于定日鏡對來流的阻礙作用隨俯仰角的增大而增強(qiáng)，流體從定日鏡上部和下部繞流至背后，在其后上方和后下方分別形成一個(gè)豎向渦流，兩個(gè)渦流的規(guī)模與流線密度均在下?lián)舯┝靼l(fā)展期增大，在下?lián)舯┝靼l(fā)展至頂點(diǎn)后保持不變，之后隨下?lián)舯┝鞯乃ト醵饾u減小；當(dāng)定日鏡處于大俯仰角時(shí)，定日鏡后方兩個(gè)豎向渦流規(guī)模和密集程度都同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在t=114 s時(shí)，上方渦流被拉伸的程度最大，逐漸向定日鏡表面靠攏。不同俯仰角的定日鏡周圍流線圖進(jìn)行對比，可以得出在下?lián)舯┝鳑_擊過程的同一時(shí)刻下，定日鏡后方渦流數(shù)量隨著俯仰角的增大先增加至兩個(gè)后保持不變，規(guī)模隨俯仰角的增大而增大。

在下?lián)舯┝鳑_擊定日鏡的過程中，由于下?lián)舯┝黠L(fēng)場的時(shí)變性，定日鏡周圍的風(fēng)環(huán)境表現(xiàn)出很強(qiáng)的瞬時(shí)特征，與大氣邊界層近地風(fēng)沖擊定日鏡相比[8]，當(dāng)定日鏡處于鏡面清洗狀態(tài)時(shí)，下?lián)舯┝鳑_擊作用下的瞬時(shí)峰值風(fēng)速明顯比大氣邊界層近地風(fēng)大，因此下?lián)舯┝鲗Χㄈ甄R有更大的威脅性。此外，本文只對一種特定的定日鏡型式進(jìn)行研究，實(shí)際情況中會用到各種類型的定日鏡，因此想要解決定日鏡在下?lián)舯┝黠L(fēng)場中的穩(wěn)定性問題，還需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

本文研究了下?lián)舯┝鳑_擊過程中塔式太陽能定日鏡周圍的風(fēng)環(huán)境，得到了4種工作俯仰角下定日鏡周圍瞬時(shí)狀態(tài)下的繞流風(fēng)場特性并進(jìn)行對比分析，主要結(jié)論如下。

①當(dāng)定日鏡處于四種代表性俯仰角時(shí)，在下?lián)舯┝鳑_擊過程中，其周圍風(fēng)速呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在下?lián)舯┝靼l(fā)展到最大強(qiáng)度時(shí)達(dá)到風(fēng)速峰值，風(fēng)速峰值和谷值區(qū)域的范圍隨著下?lián)舯┝鞯难葑兿仍龃蠛鬁p小。

②在下?lián)舯┝鳑_擊過程中，隨定日鏡俯仰角增大，風(fēng)速峰值無明顯變化，定日鏡周圍環(huán)境風(fēng)速的峰值和谷值區(qū)域范圍明顯增大，定日鏡背后渦的影響范圍也逐漸增大。當(dāng)定日鏡處于小俯仰角時(shí)，鏡面上方的高流速區(qū)域范圍可忽略不計(jì)，而下方的狹縫高流速區(qū)域范圍很大，威脅程度高。

③下?lián)舯┝鳑_擊過程中，俯仰角對定日鏡周圍繞流風(fēng)場的時(shí)變特征影響較大。當(dāng)定日鏡處于小俯仰角時(shí)，定日鏡后方的渦隨下?lián)舯┝鳑_擊過程的演變其影響范圍未發(fā)生顯著變化，風(fēng)環(huán)境相對穩(wěn)定；當(dāng)俯仰角增大，隨著下?lián)舯┝鳑_擊過程的演變渦數(shù)量由1個(gè)增加至2個(gè)，影響范圍先增大后減小，周圍風(fēng)場的復(fù)雜性提高。