碟式太阳能聚光器三维定常风场风载荷系数模拟研究

摘要

现阶段，太阳能热发电系统主要包括槽式、塔式和碟式三种。对比这三种太阳能热发电系统的基本工作原理及各自优缺点，得出碟式太阳能热发电系统以其发电效率高、占地面积小、布局灵活等优势而倍受人们青睐。碟式太阳能聚光器作为碟式太阳能热发电系统中极其重要的部件之一，其性能的优劣直接影响碟式太阳能热发电系统的发电效率、稳定性、成本等方面。碟式太阳能聚光器是一种大型非流线型物体，由于其占据较大的空间尺寸和工作环境的特殊性，风载荷对其影响极大，风载荷作用不仅会造成聚光器镜面变形，甚至可能造成聚光器的结构破坏，导致整个系统发电效率大大降低。因此，为了提高碟式太阳能聚光器抗风载能力，对碟式太阳能聚光器进行风载荷研究是非常必要的。 本文以 25 kW碟式太阳能聚光器为研究对象，在已知参数的基础上，利用Pro/E三维软件绘制碟式太阳能聚光器仿真模型。基于雷诺数判别方法，确定本课题空气流体运动为湍流运动，再选择符合本课题研究的相关流体控制方程及湍流模型，依照数值风洞模拟方法对其开展了风载荷模拟研究。具体研究内容如下： （1）利用 Pro/E三维软件绘制碟式太阳能聚光器的简化模型，借助流体分析前处理软件Gambit完成计算流体域的建立和模型的网格划分，基于 Fluent14.0软件采用 Realizable k-ε湍流模型对聚光器模型进行数值模拟研究。分析了碟式太阳能聚光器风载荷系数随高度角、方位角的变化规律，并将仿真结果与抛物雷达天线风洞试验结果进行了定性对比分析，验证了结果的合理性；此外，研究了不同工况下碟式太阳能聚光器周围的流场特性和风压分布，确定了碟式太阳能聚光器的最佳和最差避风工况。 （2）为研究碟式太阳能聚光器反射镜面间间隙尺寸大小对其风载荷系数的影响。通过建立不同反射镜面间隙尺寸的聚光器在不同工况下的流域模型，基于Fluent14.0软件采用 Realizable k-ε湍流模型对流域模型进行数值模拟。结果表明：碟式太阳能聚光器风载荷系数和周围流体几乎不受间隙尺寸大小的影响；体型系数最大值均分布在聚光器最先迎风区域，且各分区体型系数极值主要呈现边缘大中间小的变化趋势，最大值为2.19。 （3）为进一步分析高度角、方位角和间隙尺寸对碟式太阳能聚光器风载荷系数的影响程度。基于模糊灰色关联理论，选择 24种不同工况下的模拟仿真数据，建立模糊灰色关联分析模型，对相关影响因素进行权重分析。结果表明：高度角对聚光器阻力系数、方位力矩系数的影响程度最大，模糊灰色关联度分别为0.8336和 0.7376，方位角对其影响程度次之，镜面间隙尺寸对其影响程度最小；方位角对升力系数、侧向力系数、翻转力矩系数及倾覆力矩系数影响程度最大，模糊灰色关联度分别为 0.8244、0.7793、0.8117和 0.7541，高度角对其影响程度次之，镜面间隙尺寸对其影响程度最小。 本文对碟式太阳能聚光器风载荷进行了较为系统的研究，分析了碟式太阳能聚光器风载荷系数的变化规律，确定其最佳与最差避风工况；并研究了镜面间隙尺寸对风载荷系数的影响和分区体型系数分布特性。文章最后基于模糊灰色关联法，对碟式太阳能聚光器风载荷系数主要影响因素进行了权重分析，所得研究结果对碟式太阳能聚光器抗风设计具有重要的理论意义和参考价值。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究目标及研究主要工作

第2章 风载荷数值分析理论基础

2.1 结构风工程研究方法

2.2 流体动力学控制方程

2.3 湍流数值模拟方法简介

2.4 风的流动特性

2.5 本章小结

第3章 风对碟式太阳能聚光器影响的数值模拟研究

3.1 引言

3.2 碟式太阳能聚光器模型及网格划分

3.3 控制方程分析及计算域边界条件设置

3.4 仿真结果与分析

3.5 本章小结

第4章 碟式太阳能聚光器不同间隙尺寸对风载荷系数数值影响研究

4.1 引言

4.2 碟式太阳能聚光器模型及计算流体域建立

4.3 网格尺寸的划分及边界条件设置

4.4 间隙尺寸对聚光器风载荷系数的影响分析

4.5 间隙尺寸对流场速度的影响分析

4.6 碟式太阳能聚光器风载荷分区体型系数特性分析

4.7 本章小结

第5章 基于模糊灰色关联法的碟式太阳能聚光器风载荷系数影响因素研究

5.1 引言

5.2 模糊灰色关联分析法

5.3 碟式太阳能聚光器风载荷系数模糊灰色关联分析

5.4 碟式太阳能聚光器风载荷系数影响因素的权重分析

5.5 本章小结

结论与展望

结论：

展望：

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的成果（论文、专利、奖励）