槽式太阳能聚热器风载荷数值模拟研究

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1、2012年6月绿色科技JournalofGreenScienceandTechnology第6期槽式太阳能聚热器风载荷数值模拟研究胡摇，陈小安，吴国洋，谭惠文(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044)摘要：采用计算流体力学(CFD)理论建立了计算模型，对槽式太阳能聚热器不同角度、不同风速、聚热器板之间不同缝隙对风载荷的影响进行了分析。结果表明：聚热器随风速和角度变化对载荷影响较大，聚热器之间缝隙对风载荷影响几乎不变。关键词：风载荷；定日镜；湍流模型中图分类号：TU312．1文献标识码：A文章编号：1674—9944(2012)06-026

2、5-06连续性方程：1引言OUi_——：=0(1)Ox．太阳能聚热器是太阳能聚热发电研究的一个热动量方程：点。槽式太阳能聚热器被认为是最成功的太阳能热电技术，槽式太阳能聚热器包括聚热器板、支架、传动～Ox，==一一芸一Ox+蠹一Ox(II。I尝一Ox一’nII,。r¨l(I2Z)l轴等构件。槽式太阳能聚热器一个支架上有四块聚湍动能方程：热器板构件，聚热器在长度方向有较大的尺寸，故这样的流动可以认为是二维风环境钝体流动。这种鸸差=茜+鸶]+or,ov~+警)一p6流场就可采用计算流体动力学的计算风工程(CWE)(3)进行研究。耗散率方程：国外学者对聚

3、热器的自动跟踪、自动控制、聚热器中所用聚热管和聚热器振动研究较多，并且做了大以毒=去[(+／x,)0s]+簪·OUi,OUi+量仿真实验嵋“。国内湖南大学对平板式定日镜的风载荷系数、振动时域分析、定日镜之间的缝隙进行了)一C2p2(4)仿真和风洞研究。目前风载荷对槽式太阳能聚热器方程(1—4)可用以下的通用形式表示：以及槽式聚热器缝隙之间的研究较少。不同槽式太阳能聚热器的风载荷系数和体型系数不同，理论设Oxj(p)=未(厂)+S(5)计计算聚热器风载荷变得复杂，因此对具体的槽式太式中：为通用变量，，为广义扩散系数，S为广阳能聚热器的风载荷及阻力、升

4、力和力矩研究很有必义源项，其在不同方程中有不同的项。要。本文对聚热器在不同角度下不同风速进行研究，2．2风场中雷诺数的计算以及对聚热器之间缝隙对聚热器载荷影响做了研究，根据建筑规范GB5009载荷规范槽式太阳能聚热结果与相关文献基本一致。器一般安装在B类地区，并且根据当地气象资料统计2模型建立以及边界条件设定出50年一遇的基本风速。此风速作为分析聚热器风载荷的依据。确定风速度后可以根据雷诺数计算2．1数学模型的建立公式计算出雷诺数判断流体的流动状态。公式如下：来流风撞击到聚热器迎风面上时，大部分气流会R：(6)沿着迎风面垂直向上下运动，而很少的气体

5、是是通过横向和定日镜缝隙流过。为模拟气流垂直方向运动其中：u为空气的流速，为空气运动粘度，d为和缝隙运动，忽略横向风运动，把实际三维流场转化风洞直径。为二维流场计算；为模拟气流水平方向的运动，忽略风场模型中雷诺数远远大于层湍过渡区上限值，竖直方向的流动，将实际三维流场简化为水平二维流风场处于湍流流动。风洞中风速相对声速较小，并且场进行计算。风场流动的物理量随时间变化较小，可以把此流动定控制方程如下，X(i=1，2)分别代表直角坐标小义为不可压缩的定常流动。热扩散对聚热器响较小，的两个坐标分量，直角坐标系下瞬时速度的两个热传导与扩散不考虑。分量。流体

6、流动主要受到物理守恒定律的支配，包括质收稿日期：2012-o4．07作者简介：胡摇(1986一)，男，四川德阳人，重庆大学机械传动国家重点实验室硕士研究生。265胡摇等：槽式太阳能聚热器风载荷数值模拟研究工程技术量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。本文中外部风场的尺寸越大对聚热器结果影响越小。图2流动处于湍流状态，采用湍流(K—E)模型。由于在为模拟的风洞，在聚热器迎风面的长度为25m，背风风场模拟中温度对压力和速度的影响较小，在这种情面的长度为65In，总长为90m，风洞高度尺寸为29m。况下不考虑能量方程。本文的控制方程采用二维稳图1驱动聚

7、热器的转动轴中心离地面高度4m，最下态不可压缩流动：采用RNG的K—E模型(用于强旋面镜面离地高度0．5rl1．聚热器在长度方向较长，对镜流的湍流模型)。在K—E模型中，表示湍流动能，E体周围影响较小可以不考虑长度方向尺寸的影响。表示湍粘性耗散率。Yakhot和Orszag提出了一个可图2是整个风洞和镜面周围的网格。变的K—E模型及RNGK—E模型，该模型相对标准K—E模型的特点是有快速的反应影响，流线曲率，流动分离，复位和回流使计算更精确。模拟出来的结果更接近实际的流场和实际的风洞实验。2．3边界条件风洞入口处采用速度人口边界条件，参考工作点取为

8、聚热器前方不受扰动10m处。本文采用更为实际的风场环境，风在人口处风速随着高度增加为指数变化规律。计算流域出口采用完全发展