下?lián)舯┝髯饔孟露ㄈ甄R表面風(fēng)壓數(shù)值模擬

姜 峰 ，吉柏鋒

(武漢理工大學(xué)a.土木工程與建筑學(xué)院;b.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)

0 前 言

在化石燃料日益減少的背景下，太陽能逐漸成為人類主要能源的重要組成部分，開發(fā)利用太陽能對于解決環(huán)境污染問題和世界能源緊張具有重大意義[1]。太陽能熱發(fā)電主要有塔式、蝶式、槽式三種，在大規(guī)模發(fā)電方面，塔式太陽能發(fā)電是所有太陽能發(fā)電技術(shù)中成本最低的一種方式[2]。定日鏡結(jié)構(gòu)由于厚度薄、柔性大、質(zhì)量輕、風(fēng)敏感性強(qiáng)，所以定日鏡抗風(fēng)問題就一直是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。而且定日鏡一般布置于開闊的場地，受到風(fēng)力作用影響很大，如果處于強(qiáng)風(fēng)作用下，那么定日鏡的工作狀態(tài)極易受到影響，甚至破壞。本文利用數(shù)值模擬方法，研究下?lián)舯┝髯饔孟氯N工況的定日鏡表面的風(fēng)壓分布特性。

1 數(shù)值模型

1.1 定日鏡模型

根據(jù)Wu Z Y等[3]對鏡面板不同間隙寬度的影響研究，得知鏡面板間隙對定日鏡的靜力風(fēng)荷載影響非常小。因此，本文采用長寬均為10.28 m的整塊面板模型，定日鏡與水平地面的夾角記為β。

1.2 下?lián)舯┝黠L(fēng)場模型

下?lián)舯┝饔?jì)算域見圖1。

圖1 下?lián)舯┝饔?jì)算域

由于下?lián)舯┝髂Ｐ统叽缇薮蟛⑶揖哂休S對稱特性，所以采用沖擊射流模型的1/4區(qū)域，設(shè)定初始出流直徑Djet=600 m，計(jì)算入口位置到地面的距離為H= 4Djet。

1.3 下?lián)舯┝鬟吔鐥l件

下?lián)舯┝黠L(fēng)場初始出流速度Vjet=18 m/s,湍流強(qiáng)度為1%，邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件

1.4 計(jì)算設(shè)置

本文采用 Realizablek-ε模型對下?lián)舯┝黠L(fēng)場加入定日鏡后的計(jì)算域模擬計(jì)算。采用 SIMPLEC 壓力-速度耦合方式，離散采用二階迎風(fēng)格式。在距離鏡子四周邊緣4 m位置處設(shè)置五個(gè)速度監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)速度穩(wěn)定不再隨迭代次數(shù)增加而變化時(shí)，則可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。

2 定日境迎風(fēng)面風(fēng)壓分布特性

(a) β=30°

由圖2可以看出，除極小面積的負(fù)壓區(qū)域分布在鏡子上邊緣，迎風(fēng)面均以正壓分布為主，壓力關(guān)于鏡子垂直中軸線對稱分布，并且壓力從鏡子下邊緣垂直向上逐漸減小。隨著定日鏡仰角的增大，正壓峰值略有增加，高壓區(qū)域面積也在快速增加，而且高壓區(qū)域由鏡子下沿向鏡子中上部快速擴(kuò)張，這是由于下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)剖面明顯區(qū)分常規(guī)風(fēng)的風(fēng)剖面造成的，傳統(tǒng)大氣層邊界層近地面風(fēng)的風(fēng)速隨高度增大而增大，但下?lián)舯┝髟诮孛鎱^(qū)域風(fēng)速隨高度增大而迅速增大到最大值，之后隨高度增大而迅速減小。下?lián)舯┝髯鳛橐环N近地面短時(shí)強(qiáng)風(fēng)，在貼近地面水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)速遠(yuǎn)大于常規(guī)風(fēng)。直至β=90°時(shí)，下?lián)舯┝黠L(fēng)場中定日境迎風(fēng)面中心位置處風(fēng)壓最高，呈輻射狀向四周逐漸減小，等壓線大體為正方形。

3 結(jié) 論

本文研究下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)作用下太陽能定日鏡表面風(fēng)壓的分布特性，通過建立下?lián)舯┝骱投ㄈ甄R的數(shù)值模型，對三種仰角的定日鏡進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得三種工況下定日鏡迎風(fēng)面的風(fēng)壓分布圖，結(jié)論如下。

1)除極小面積的負(fù)壓區(qū)域分布在鏡子上邊緣，迎風(fēng)面均以正壓分布為主，壓力關(guān)于鏡子垂直中軸線左右對稱分布，并且壓力從鏡子下邊緣垂直向上逐漸減小。

2)隨著定日鏡仰角的增大，正壓峰值略有增加，高壓區(qū)域面積也在快速增加，而且高壓區(qū)域由鏡子下沿向鏡子中上部快速擴(kuò)張，這是由于下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)剖面明顯區(qū)分常規(guī)風(fēng)的風(fēng)剖面造成的，傳統(tǒng)大氣層邊界層近地面風(fēng)的風(fēng)速隨高度增大而增大，但是下?lián)舯┝髟诮孛鎱^(qū)域風(fēng)速隨高度增大而快速增大到最大值，之后隨高度增大而快速減小，下?lián)舯┝髯鳛橐环N近地面短時(shí)強(qiáng)風(fēng)，在貼近地面水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)速遠(yuǎn)大于常規(guī)風(fēng)。

3)仰角為90°時(shí)，下?lián)舯┝黠L(fēng)場中定日境迎風(fēng)面中心位置處風(fēng)壓最高，呈輻射狀向四周逐漸減小，等壓線大體為正方形。

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