林 紅,肖 洪,朱天宇,王 磊
(1.河海大學(xué)機電工程學(xué)院,江蘇 常州213022;2.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院,江蘇 南通226019)
槽式太陽能聚光器通過對太陽光的聚焦,加熱集熱器內(nèi)的工質(zhì),為電站的蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)提供高溫?zé)嵩椿蛑苯訉⒏邷卣羝峁┙o汽輪機[1]。因此,聚光器是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,它的性能的好壞會顯著影響太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總體性能[2]。
槽式太陽能聚光器始終工作在露天的環(huán)境中,不可避免地會受到環(huán)境的影響,尤其是風(fēng)載荷。重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室的胡搖等人,采用計算流體力學(xué)(CFD)理論建立了計算模型,分析了槽式太陽能聚光器在不同角度、不同風(fēng)速、不同反光鏡間縫隙下對風(fēng)載荷的影響[3]。重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室的孔祥兵等人,利用流體仿真軟件FLUENT來模擬風(fēng)場,然后將得到的最大面載荷施加在鏡面上,應(yīng)用ABAQUS軟件對槽式太陽能聚光器的結(jié)構(gòu)進行有限元分析[4]。河海大學(xué)的劉英玉等人通過風(fēng)速與風(fēng)壓的換算關(guān)系,將換算的風(fēng)壓施加到鏡面上,采用ANSYS軟件對槽式太陽能聚光器結(jié)構(gòu)進行分析[5]。這些方法沒有將流場和結(jié)構(gòu)的計算結(jié)合起來進行分析。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代分析方法的不斷改進,流固耦合分析方法成功的將流場和結(jié)構(gòu)的計算結(jié)合起來,使得槽式太陽能聚光器的流固耦合技術(shù)得以實現(xiàn)[6]。因此,有必要對槽式太陽能聚光器進行流固耦合分析。
流體流動必須遵循基本的物理守恒定律,其中包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。不考慮流體、固體間的能量傳遞,對能量守恒不進行描述[7]。
質(zhì)量守恒方程為:
動量守恒方程為:
ρf為流體密度;t為時間;v為流體速度矢量;τf為剪切力張量;ff為體積力矢量。
固體部分的守恒方程由牛頓第二定律導(dǎo)出:
ρs為固體密度;ds為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶浚沪襰為柯西應(yīng)力張量;fs為體積力矢量。
同樣,流固耦合也遵循一些最基本的守恒原則。因此,在流固耦合交界面處,應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力τ、位移d、熱流量q和溫度T等的相等或守恒,即滿足以下4個方程:
下標(biāo)f,s分別為流體、固體。
采用ANSYS Workbench軟件對槽式太陽能聚光器在不同風(fēng)速、不同工作角度下進行單向流固耦合分析。聚光器流固耦合分析流程如圖1所示。
圖1 流固耦合分析流程
利用Workbench對槽式太陽能聚光器進行有限元建模,取水平橫向為X軸,豎直方向為Y軸,水平軸向為Z軸。根據(jù)拋物線聚光原理,槽式太陽能聚光器工作時的位置是隨太陽方位角的變化而發(fā)生變化,這里選取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°進行分析計算。其中0°與90°的有限元模型如圖2所示。
圖2 聚光器的有限元模型
流場數(shù)值分析時將支架部分抑制的原因是:支架部分為金屬框架,對流場進行有限元網(wǎng)格劃分時,會產(chǎn)生大量的網(wǎng)格單元,增加計算量;流體模型變得復(fù)雜,網(wǎng)格劃分質(zhì)量降低,影響分析結(jié)果的精度;支架部分受到風(fēng)載荷的影響與反光鏡部分的影響相比非常小,可以忽略不計。
將流體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench下的Fluent中進行數(shù)值模擬,進行湍流方程設(shè)置,選擇Viscou-Stannard中的標(biāo)準(zhǔn)k-epslion模型;流動介質(zhì)為空氣,假設(shè)空氣為不可壓縮流體;入口采用速度邊界條件,風(fēng)的方向與X軸平行,設(shè)置額定速度為六、七、八級風(fēng)的最大風(fēng)速[8];出口使用壓力邊界條件,壓力設(shè)為0;利用Simple算法及定常穩(wěn)態(tài)求解器進行求解。
槽式太陽能聚光器支撐結(jié)構(gòu)的材料為Q235A鋼,選擇ANSYS Workbench中的Structural Steel即可。同時添加反光鏡的材料浮法白玻,命名為glass。浮法白玻為脆性材料,它的常見破壞形式為斷裂失效。最大拉應(yīng)力理論(第一強度理論)是解釋脆性材料斷裂失效的原因,該理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起斷裂的主要因素。即認(rèn)為無論是什么應(yīng)力狀態(tài),只要最大拉應(yīng)力達到某一極限值,材料就發(fā)生斷裂[9]。由于失效的原因與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān),也就是最大拉應(yīng)力的極限值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。因此,要設(shè)置浮法白玻的拉應(yīng)力極限值(tensile yield strength)。
聚光器所受約束為4個支撐腳施加固定約束,限制聚光器X,Y,Z方向的移動和繞X,Y,Z的轉(zhuǎn)動。盡管聚光器跟隨太陽轉(zhuǎn)動,但它的轉(zhuǎn)動是間歇性的、緩慢的,分析時將整個聚光器結(jié)構(gòu)視為剛連接。
聚光器所受載荷為慣性載荷和壓力載荷。慣性載荷是重力,方向為Y軸負向,將其施加到整個聚光器上。壓力載荷為來自流體分析的壓力數(shù)據(jù)并作用在反光鏡的表面。圖3所示為導(dǎo)入的反光鏡壓力圖(工作角度為60°)。
圖3 反光鏡壓力(60°)
以八級風(fēng)作用、工作角度為60°的結(jié)果為例進行結(jié)果分析。聚光器結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、最大拉伸應(yīng)力安全系數(shù)結(jié)果如圖4~6所示。
圖4 聚光器整體變形
圖5 聚光器的應(yīng)力分布
圖6 聚光器的拉應(yīng)力安全系數(shù)
由圖4可見,聚光器中間部分變形比較明顯,特別是靠近反光鏡的邊緣部分,最大值為7.623 3 mm,這是聚光器沿Z軸方向較長的原因。由圖5可知,應(yīng)力較大的部分出現(xiàn)在矩形框架的兩端,最大值為86.18MPa這是因為這兩端承受的力矩比較大。由圖6可以得到,反光鏡在支撐端附近的最大拉應(yīng)力安全系數(shù)較小,最小值為2.469。通過以上結(jié)果分析,聚光器結(jié)構(gòu)設(shè)計在剛度和強度上均滿足要求。
聚光器在不同工作角度受六、七、八級風(fēng)作用下的最大變形、最大應(yīng)力、最小安全系數(shù)如圖7所示。
圖7 聚光器的分析結(jié)果
由于位置的對稱性,0°與180°可認(rèn)為是二者中的任意一個角度在正反兩個方向風(fēng)載荷作用下的效果,其他相應(yīng)角度也具有類似的特點。故由圖7可以得出以下結(jié)論。
a.在六、七、八風(fēng)作用下,明顯看出八級風(fēng)對聚光器結(jié)構(gòu)特性的影響最大。并且八級風(fēng)作用下,聚光器結(jié)構(gòu)設(shè)計在剛度和強度上均滿足要求。
b.聚光器在工作角度為60°時,變形和應(yīng)力都最大;工作角度為0°時,變形和應(yīng)力都最小。
c.聚光器在工作角度為90°時,最大拉應(yīng)力的最小安全系數(shù)最大,反光鏡最不易出現(xiàn)拉應(yīng)力失效;工作角度為0°時,最小安全系數(shù)最小,反光鏡最容易出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。
d.考慮到聚光器在非工作時間的停放位置,經(jīng)過綜合分析,工作90°為最佳停放位置。這個位置容易控制,反光鏡的玻璃最不容易發(fā)生斷裂失效,聚光器的整體變形和應(yīng)力也比較小。
利用ANSYS Workbench軟件對槽式太陽能聚光器結(jié)構(gòu)進行流固耦合分析,最終得到聚光器結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和拉應(yīng)力安全系數(shù)等數(shù)據(jù)。該分析方法與其他的方法相比,較為準(zhǔn)確地反應(yīng)聚光器的受力情況,簡單方便,用時大大縮短,同時為聚光器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)值依據(jù)。
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