槽式太阳能聚光器力学性能相似关系建模与实验研究

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槽式太阳能聚光器是一种较为成熟的并且已经实现商业化运行的太阳能热利用技术。槽式聚光器主要工作于平坦的开阔的区域,大开口面积使得聚光器很容易受到风载荷的影响。一方面,风载荷会导致镜面形变从而影响聚光效率,另一方面,风致振动也会引起聚光器结构(包括反射镜面)的破坏。对于风场中聚光器力学性能的研究,风洞试验是一种有效的方式,但是常用的聚光器尺寸一般都较大,不适合直接对其进行实验,模拟计算的成本也比较高。本文以槽式聚光器作为研究对象,基于相似理论建立其小型化模型以及其与全尺寸模型之间相关物理量的相似关系,采用Fluent和ANSYS模拟计算验证了这些相似关系的准确性。同时采用风洞实验验证模拟计算结果的可靠性与准确性。主要研究内容如下:  (1)基于相似理论建立尺寸相似比为1∶6的槽式聚光器的相似模型,计算全尺寸模型与相似模型之间如聚光器的尺寸、镜面的风压以及气动力系数、聚光器结构的变形值等相关物理量的相似关系,对相似模型聚光器镜面风压以及气动力系数进行Fluent数值模拟。研究发现,对于聚光器镜面风压的分布,镜面风速较大的部分,风压则较小;聚光器最大镜面风压出现在60°仰角下。  (2)在ANSYS结构分析软件中建立聚光器相似模型,并利用Fluent模拟计算获得的镜面风压数据对其进行流固耦合分析。对聚光器前20阶固有频率进行模态分析,其一阶固有频率为0.18,大于聚光器工作风场中的脉动风载荷卓越频率0.001-0.01HZ,因此聚光器系统结构安全,不会发生强烈的共振现象。聚光器结构应力应变结果均在60°仰角下达到最大,属于危险工况,在设计的过程中需着重分析。  (3)对聚光器相似模型进行风洞实验。研究表明,聚光器镜面风压值以及分布Fluent模拟计算与风洞实验结果基本一致,在0°-75°仰角工况下,聚光器镜面最大风压模拟计算与实验的平均误差为9.97%,验证了模拟结果的准确性。分别对全尺寸模型进行Fluent流场分析以及ANSYS结构分析,将风压、气动力系数、变形量等与相似模型的相关物理量作对比,其两者的比值与相似比理论值具有很好的一致性,因此可以用小型化的相似模型来近似模拟大型聚光器的力学性能。
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