大型碟式太阳能发电系统机架风载荷特性及风振响应研究

【摘要】：碟式太阳能光热发电系统是涉及太阳辐射的光场、碟式机架的机械场以及吸热器腔体的热场,是光-机-热多场多过程的耦合系统。其中,碟式机架是实现聚光器反射镜面几何“保型”和吸热器位置保持的载体,风载作用可能引起机架位移响应过大,而导致系统聚光性能下降、镜面破裂或更为严重的停机情况。因此,开展碟式机架风载荷特性及风振响应研究是尤为重要的。本文以研制的25KW级碟式机架为对象,研究单体机架和双机架群体干扰的风载荷及绕流特性;将线性滤波法与有限元技术相结合,开展了典型工况的碟式机架风振时域响应研究。具体研究内容包括:首先,基于Fluent6.3软件平台,选用Reynolds时均的Realizable k-ε湍流模型,开展了复杂碟式机架三维定常风场的数值模拟。应用带圆柱内域分区的多风向角建模方法,建立了满足流场充分发展和网格独立解的计算域模型,模拟得到了45组工况的总风载荷、镜面风压分布及绕流特性等结果。分析了风载荷随工况的变化规律,并将载荷曲线同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。采用因次方法探讨了反射镜面风载荷占机架总风载荷的比值,给出了反射镜面分区的体型系数分布及载荷极值,分析了流场绕流特性揭示了风载荷产生的机制。其次,根据单体机架的风载研究成果,选取了单体机架中三种最不利风载工况,基于Fluent6.3平台开展了两机架基本布置形式(串列、并列和斜列)和布置间距对机架风载荷的干扰效应研究,获得了各布置工况的下游受扰机架静风载荷干扰因子,分析了干扰因子随布置形式和间距的变化规律,通过流场流线分布探讨了机架风载荷干扰的产生机制。研究表明,串列布置的下游受扰机架静风载荷干扰因子均小于1.0表现为“遮挡效应”,而上游施扰机架的风载荷趋于单体情况。斜列布置的干扰效应也均表现为“遮挡效应”,但较串列干扰弱。并列布置的两机架中间有形成“狭缝效应”,但效果不明显。而后,阐述了复杂碟式机架有限元模型的简化及构建方法,基于Ansys 12.0平台建立了适于瞬态动力分析的机架有限元模型。通过整机结构静风承载和机构传动角的分析,指出了高度角驱动机构设计存在的不足并予以改进,对比分析了机构改进前后机架多高度角工位的自振特性,为机架风振响应分析提供了依据。最后,基于线性滤波法,编制Mtalab程序计算了机架25组典型工况的脉动风载荷(平均风速16.0m/s),求解了高度角机构改进的机架结构风振时域响应。分析了机架位移控制节点的位移响应均方根和峰值的分布特性,并对控制节点的位移时程进行了频谱分析,探讨了机架风振响应中振型参与和贡献的问题,给出了各工况机架控制节点的位移风振系数。研究表明,机架风振响应是以脉动风载的强迫振动为主,并伴有多阶振型参与的共振响应,机架振动主要为机架视日部分绕高度角轴线的旋转运动。机架控制节点的位移峰值和位移均方根的分布特性相似,均以沿聚光器焦轴方向的响应分量占主导地位。通过本文较系统的研究,确定了碟式机架的风载荷分布及作用机制,明确了机架结构的抗风设计要点,为后续机架结构优化及振动控制研究提供基础,也为碟式电站的机架群体抗风布置提供了依据。 【关键词】：碟式太阳能光热发电系统 风载荷 静力干扰效应 绕流特性 风振响应 时域分析
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景与目的13-15
• 1.1.1 课题背景及意义13-15
• 1.1.2 研究目的15
• 1.2 相关问题的研究现状15-22
• 1.2.1 碟式发电系统-机架结构的发展15-17
• 1.2.2 碟式发电系统机架的风载荷研究现状17-19
• 1.2.3 碟式电站机架群体风场干扰研究现状19-20
• 1.2.4 碟式发电系统机架结构风振响应研究现状20-21
• 1.2.5 研究存在的不足21-22
• 1.4 课题来源及本文主要工作22-25
• 1.4.1 课题来源22
• 1.4.2 研究路线及方法22-23
• 1.4.3 研究内容及论文结构23-25
• 第二章 碟式机架结构的平均风载荷及绕流特性研究25-47
• 2.1 引言25-26
• 2.2 碟式机架三维定常风场数值模拟26-31
• 2.2.1 数值风洞基本理论26-27
• 2.2.2 物理模型及工况定义27-28
• 2.2.3 计算流域模型及网格划分28-30
• 2.2.4 边界条件及离散求解30-31
• 2.3 机架气动载荷特性研究31-37
• 2.3.1 气动六分力系数计算31-32
• 2.3.2 气动六分力随工况的变化特征32-36
• 2.3.3 机架承载的因次分析36-37
• 2.4 风压分布及风场绕流特性分析37-45
• 2.4.1 镜面分区定义及体型系数计算37-38
• 2.4.2 分区体型系数分布特性分析38-41
• 2.4.5 典型工况的流场绕流特性分析41-45
• 2.5 本章小结45-47
• 第三章 碟式太阳能电站双机架风致静力干扰效应研究47-59
• 3.1 引言47
• 3.2 双机架风场干扰数值模拟47-51
• 3.2.1 物理模型简化及施扰模式定义47-48
• 3.2.2 计算流域模型及网格划分48-49
• 3.2.3 边界条件及离散求解49-50
• 3.2.4 数据后处理与模型简化检验50-51
• 3.3 静力干扰效应及流场特性分析51-58
• 3.3.1 串列布置的干扰分析51-55
• 3.3.2 并列布置的干扰分析55-56
• 3.3.3 斜列布置的干扰分析56-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 碟式机架结构有限元建模及自振特性分析59-73
• 4.1 引言59
• 4.2 机架结构总体构成及有限元建模59-63
• 4.2.1 关键部件的建模简化59-61
• 4.2.2 机架有限元模型及位移控制节点61-63
• 4.3 高度角机构承载及改进分析63-66
• 4.5 机架结构多工位的自振特性分析66-71
• 4.5.1 自振频率分析66-67
• 4.5.2 机架振型及“互换”特性67-71
• 4.6 本章小结71-73
• 第五章 碟式太阳能光热系统机架结构风致振动响应73-91
• 5.1 引言73
• 5.2 机架结构多工况脉动风速模拟73-79
• 5.2.1 脉动风场功率谱74-76
• 5.2.2 线性滤波(AR)模拟理论76-77
• 5.2.3 脉动风速时程及检验77-79
• 5.3 机架结构风振响应分析79-82
• 5.3.1 时域响应求解80-81
• 5.3.2 响应结果处理81-82
• 5.4 机架风振响应结果分析82-89
• 5.4.1 控制节点位移响应峰值分析82-86
• 5.4.2 位移时程谱分析86-88
• 5.4.3 位移风振系数分析88-89
• 5.5 本章小结89-91
• 第六章 研究总结及展望91-95
• 6.1 研究结论91-93
• 6.2 未来工作展望93-95
• 参考文献95-101
• 致谢101-105
• 附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录105-107
• 附录B：个人简介107

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