工程與技術 大型塔式定日鏡風荷載數值模擬研究

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、太陽能應用技術、節能技術等方面的工作。中圖分類號：TH3文獻標識碼：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電集熱系統中的關鍵部件,正面為特殊反光材料鍍成,背面由鋼結構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作用破壞,對定日鏡在風場的運行狀況和安全性預測顯得尤為重要。定日鏡場一般在陽光充足但空曠多風的地帶,通常設計要求在6級風時電站能正常運行,即鏡面變形誤差和跟蹤誤差在允許范圍內且支撐結構安全。

國外對太陽能光熱發電利用較早,建造了大量的電站,并取得了豐富的研究成果。早在20世紀60年代,Brosens［1,2］就對定日鏡的結構穩定性和振動響應進行了研究。Hoyer［3］在風致響應方面做了研究并提出相應的建議。Bhumralkar［4］等利用數值模擬技術對太陽能光熱發電設備進行了抗風研究。國內太陽能光熱發電起步較晚,各方面技術相對落后,在外部設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,對定日鏡風載狀況進行了系統分析研究。

2定日鏡模型的建立

2.1數值風洞

計算風工程其實質是在計算機上創建一個虛擬的風洞實驗室,模擬實際工況下的工作過程。本文擬計算一個單柱立式方形平面定日鏡,凈面積64m2,平均分為16塊獨立小鏡子,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中心離地4.6m,鏡面中心水平時離地5.1m,立柱和轉動軸通徑分別為0.6m和0.4m,模型如圖1所示。鑒于鏡面后方風場較弱,定日鏡支架對風場干擾很小,則略掉支架細梁,只保留立柱、轉動軸和鏡面等與風作用強烈的主體結構。

定日鏡寬度為8.18m,最大高度為8.69m,由多次試算后可取數值風洞寬100m,高50m,長162m,定日鏡中心距風流入口40m,距風流出口122m。在風洞實驗中,為了氣流通暢,應保證一定的阻塞率,以免計算結果失真,該模型最大阻塞率為0.0134,具有良好的效果。

圖1數值風洞和定日鏡模型

2.2工況選擇

定日鏡位置隨著太陽位置的變化而變化,在整個工作過程中,定日鏡有很多種工況,每一種工況都可能有風作用,而每一種工況下風荷載皆不相同。如圖2所示,設定日鏡回轉中心為坐標原點,垂直轉動軸并與風流相反方向為X軸正方向,轉動軸軸線為Z軸,垂直向上為Y軸。規定定日鏡繞Y軸逆時針旋轉時轉動軸與Z軸正向所成的角為方位角,繞Z軸逆時針旋轉時鏡面與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,當鏡面垂直地面且正面迎風時工位00-00。理論上定日鏡工位有無數個,顯然無法全部實現模擬,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。這些典型工位的風荷載能代表定日鏡所有可能的風荷載情況。

3模擬結果分析

3.1定日鏡流場分析

定日鏡運行過程中,工況隨時在俯仰角0~90°之間,方位角0~±90°之間變化,造成了多種的工況,流場也時刻變化。定日鏡工作時受風作用的情況類似于風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,背面有支撐鏡子轉動軸和立柱等構件,背部流場更為復雜。

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

定日鏡前側視圖 定日鏡后側視圖

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雜得多。圖3中的正視圖和俯視圖清楚的顯示了風流繞過定日鏡的情況。指數律剖面風遇到定日鏡時,受定日鏡的阻擋,中部風流除小部分經過鏡面縫隙被擠壓流出以外,部分風流回流與后面來流共同作用產生一些不同尺度的渦旋改變風流方向,讓中部風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,在定日鏡下方風流沒有形成反向滾動的“駐渦區”。還因為在鏡面中部存在縫隙,流體泄露,在鏡面偏上的位置沒有形成一個停滯點,氣流并沒有在此上下分流。

定日鏡面的四周由于風流體的加速分離形成負壓,流體在鏡面后上方形成一個較大的渦,兩側的流體繞過鏡面之后也向內卷起一對漩渦,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。隨著定日鏡工況的變化,流場會發生相應的變化,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,渦區上移,底部流場變得順暢,直到俯仰角為90°時,為順風向,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構件處。當定日鏡有一定方位角時,鏡面后方左右兩側的漩渦尺度會發生變化,先接觸來流一側的逐漸增大而遠離來流一側的逐漸減小,同時漩渦向后延伸,加之各方向的來流相互交織在遠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,鏡面平行風向,流場才無明顯渦區。模擬流場結果與S.Becker［7］等針對有關矩形結構鈍體繞流問題利用風洞試驗和數值模擬技術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鏡面平均風壓分布

定日鏡將太陽光反射到有效吸收區域必須隨著太陽光入射角的變化時刻變化,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致流場的改變,從而影響鏡面風壓分布,得到完全不同的風荷載。

圖5定日鏡正面平均風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壓分布情況,對比可以看出,在俯仰角為0°和10°附近時,最大平均風壓處于鏡面中上部,約2/3鏡面高度處,該處為流場中的“駐點”位置,這是風流體直接撞擊鏡面的結果。最大風壓區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,最大風壓值是有所增加的,局部較小區域增加明顯,如俯仰角在50°和60°附近時,定日鏡底部與頂部受壓反差強烈。在俯仰角50°到60°和60°到70°之間的最大壓力區變化明顯,特別是60°到70°之間有突變,最大風壓區移動到鏡面底部邊緣附近。當到80°附近時,最大壓力值已明顯變小,而且風壓梯度相對緩慢。本文的模擬結果與M Ikhwan［8］研究金子塔形建筑不同傾角下的風壓分布變化情況相似,發現建筑迎風面上的最大風壓區有隨傾角增加而下移的趨勢,且在傾角60°附近時下移劇烈,至鏡面底部邊緣。

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

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定日鏡所受風荷載由正面和背面風壓共同決定,壓差越大荷載越大。風壓均布則定日鏡支撐結構穩定性較好,如俯仰角在10°到30°附近時,鏡面正背面風壓處于均布狀態,以立柱和轉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荷載,這些部位的鏡面材料和支撐結構應當得到加強。此外,從圖5能看出鏡面縫隙附近風壓較其他區域有明顯不同,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壓的分布,如圖7和圖8所示為俯仰角為0°時,定日鏡正背面風壓分布隨方位角的變化情況。隨著方位角的增加,最大風壓區向靠近來流一側的鏡面移動同時風壓值增大,到方位角60°左右時,最大風壓處于鏡面邊緣附近,而遠離來流側風壓很小,這也造成了繞豎直軸方向的較大力矩。背面風壓還是負壓為主,在某些受結構影響部位有正壓出現,但對整體沒有實質影響。

圖6定日鏡背面平均風壓分布隨俯仰角的變化

圖7定日鏡正面平均風壓分布隨方位角的變化

3.3常見工況荷載分析

對定日鏡風荷載進行模擬的最終目的是為設計定日鏡的支撐結構提供計算依據,需要得出不同工況下由風作用產生的力矩、鏡面合力、各獨立小鏡子受力等。圖9所示為以定日鏡轉動中心為原點,垂直鏡面為法線為X軸,立柱中心線為Y軸,轉動軸為Z軸時模擬計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,由于最大風壓區下移到靠近來流一側的邊緣,致使力矩反向,當方位角繼續增大時,風壓值急劇減小,力矩再次反向。Y軸力矩是對定日鏡的旋轉力矩,從b圖可以看出跟定日鏡的方位角有很大關系,在幾乎所有俯仰角位置上,隨著方位角的增加直到70°附近,定日鏡兩側受力不平衡越嚴重,力矩越來越大,80°時風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下移,力矩由正變負,直到60~70°附近達到最大值,此時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的設計提供關鍵的依據,還對其精度分析有重大參考價值。另外,定日鏡在工況00-70和60-40附近存在最大力矩,受力嚴重不平衡,應保證定日鏡安全。

圖8定日鏡背面平均風壓分布隨方位角的變化

圖9定日鏡各工況風荷載

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,此時對立柱根部的傾覆力矩較大,應防止定日鏡遭到傾覆破壞。在俯仰角90°附近,定日鏡風荷載都最小,此時可作為定日鏡遭遇特大風時的避險位置。

4結語

(1)通過數值模擬技術得到了塔式定日鏡遭受風作用時各種工況下的流場和隨著鏡面轉動導致流場改變的情況,解釋了定日鏡風荷載的成因,在鏡場布置設計時為風荷載的評估預防提供重要考慮因素。

(2)理清了常見工況時鏡面風壓分布情況,最大受壓區隨俯仰角和方位角的增加向靠近來流的鏡面一側移動,能預計鏡面的最大受壓區,即薄弱區域,為鏡面及其支撐結構的穩定性提供設計依據,防止結構破壞;找出鏡面承受的極限力矩,為傳動系統設計提供荷載同時也為傳動系統精度的控制提供設計參數。

(3)得到了各種工況下鏡面所受合力的情況,反應了整體定日鏡的穩定性;設計時必須保證在極限工況10-10和30-00附近不發生傾覆倒塌破壞,可把俯仰角為90°時的工況作為定日鏡的避險位置。

參考文獻：

［1］ Brosens,Pierre.Oscillations of a Rigid Heliostat Mirror Caused by Fluctuating Wind［J］.Solar Furnace Support Studies,1960(2):117~132.

［2］ Brosens,Pierre.Aerodynamic Stability of a Heliostat Structure［J］.Solar Furnace Support Studies,1960(2):99~115.

［3］ Hoyer,Sigurd.Wind Excited Rigid-body Vibrations of the Heliostat Mirror for the Proposed dept.of Defense Solar Furnace［J］.Solar Energy,1962,6(4):169.

［4］ Bhumralkar C M,Slemmons A J,Nitz K C.Numerical Study of Local Regional Atmospheric Changes Caused by a Large Solar Central Receiver Power Plant［J］.Journal of Applied Meteorology,1981,20(6):660~677.

［5］ 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社,2004.

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［8］ M Ikhwan,B Ruck.Flow and Pressure Field Characteristics around Pyramidal Buildings［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2006,94(10):745~765.

［9］ WU Zhi-yong,GONG Bo,WANG Zhi-feng,et al.An Experimental and Numerical Study of the Gap Effect on Wind Load on Heliostat［J］.

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