太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究

【摘要】： 太阳能热气流发电系统是一项利用太阳能集热以及烟囱效应驱动风力涡轮带动发电机发电的新系统。该系统中的烟囱高度往往达到上千米,属于超高耸结构的范畴,同时由于该系统的特殊性,系统工作时烟囱结构将处于复杂的内外风场和温度场环境中。本文以一发电功率为100MW的太阳能热气流发电站为研究对象,通过平均风风场数值模拟、温度场数值模拟研究了系统内外风场和温度场的分布规律,并对其中的超高耸烟囱进行了风速时程分析和风振分析,论文得出了一些结论,为该系统进一步的结构分析提供了理论依据。 论文首先总结了影响太阳能热气流发电系统发电功率和效率的各种因素,通过数值模拟研究了系统几何尺寸和形体变化对系统性能的影响,确定了超高耸烟囱的合理形体,得到了功率为100兆瓦电站的合理尺寸。 论文接着运用计算流体力学方法对系统内外风场进行数值模拟,得到了系统风场的分布规律,按照风工程理论计算得到烟囱的风载体型系数,并与我国荷载规范以及相关风洞试验数据进行了对比研究,得到了体型系数沿烟囱高度方向和圆周方向的分布规律。 为模拟系统温度场分布,论文对计算流体力学软件FLUENT中的辐射模型做了系统研究,采用数值传热理论和计算流体力学方法,模拟了一定太阳辐射条件下系统内的辐射对流传热过程,得到了沿集热棚高度和直径方向以及沿烟囱高度和直径方向温度的分布规律。 论文最后采用谐波叠加法,同时引入快速傅里叶变换技术,以西缪谱为标准谱对超高耸烟囱进行了风速时程模拟和分析;通过烟囱动力特性分析得到烟囱前9阶振型和频率;通过结构瞬态动力计算得到了风振响应,并最终得出了烟囱的风振系数。 【关键词】：太阳能热气流发电系统 风场 温度场 太阳辐射 脉动风 风振响应
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU312.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目次7-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 太阳能热气流发电系统概述10-17
• 1.1.1 全球能源问题现状10-11
• 1.1.2 太阳能热气流发电技术介绍11-13
• 1.1.3 理论研究和应用现状13-17
• 1.2 高耸结构分类与发展17-19
• 1.2.1 高耸结构的分类17-18
• 1.2.2 高耸结构的发展18-19
• 1.3 本文的研究背景19-20
• 1.4 本文的研究内容20-22
• 第2章 太阳能热气流发电系统性能和形体研究22-35
• 2.1 引言22
• 2.2 热力学模型研究22-26
• 2.2.1 Schlaich模型22-24
• 2.2.2 杨家宽模型24-25
• 2.2.3 系统性能影响因素归纳25-26
• 2.3 几何尺寸与形体对系统性能影响研究26-33
• 2.3.1 模型概况26-29
• 2.3.2 数值模拟结果分析29-33
• 2.4 100MW电站形体及尺寸设计33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 太阳能热气流发电系统内外风场数值模拟35-51
• 3.1 结构风工程理论35-37
• 3.1.1 大气边界层与平均风剖面35-36
• 3.1.2 基本风速与基本风压36
• 3.1.3 风压系数与体型系数36-37
• 3.2 计算流体力学理论37-40
• 3.2.1 CFD方法简介37
• 3.2.2 空气钝体绕流基本方程37-40
• 3.3 100MW电站风场数值模拟40-50
• 3.3.1 模型概况40-42
• 3.3.2 模型边界条件与计算设置42-43
• 3.3.3 数值模拟结果分析43-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 太阳能热气流发电系统温度场数值模拟51-66
• 4.1 引言51
• 4.2 数值传热学理论51-56
• 4.2.1 描述对流换热的能量方程51-53
• 4.2.2 浮升力模型与Boussinesq假设53-54
• 4.2.3 辐射输运方程54
• 4.2.4 辐射模型简介54-56
• 4.3 华中科技大学实验电站温度场数值模拟56-62
• 4.3.1 基本求解步骤56-57
• 4.3.2 模型概况57
• 4.3.3 主要求解设置57-60
• 4.3.4 数值模拟结果分析60-62
• 4.4 100MW电站温度场数值模拟62-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 太阳能热气流发电烟囱的抗风性能分析66-84
• 5.1 引言66
• 5.2 烟囱动力特性分析66-69
• 5.2.1 模型概况66-67
• 5.2.2 模态分析67-69
• 5.3 风速时程分析69-78
• 5.3.1 脉动风主要特性69-72
• 5.3.2 风荷载模拟方法72-74
• 5.3.3 风速时程模拟74-78
• 5.4 风振响应分析78-82
• 5.4.1 结构动力学原理78-79
• 5.4.2 风振分析结果79-81
• 5.4.3 风振系数81-82
• 5.5 本章小结82-84
• 第6章 结论与展望84-86
• 6.1 结论84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-91
• 作者简历91

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