吉柏鋒 趙進(jìn)新 姜 峰 熊 倩 瞿偉廉

(1武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)(2中山大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣州 510275)(3武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 武漢 430070)

太陽(yáng)能由于其取之不盡、用之不竭的特性已經(jīng)成為當(dāng)今世界能源結(jié)構(gòu)改革的重要方向．定日鏡是塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的重要聚光設(shè)備，在塔式太陽(yáng)能發(fā)電站的投資建設(shè)中所占的比例一般超過總投資額的1/2[1]．定日鏡場(chǎng)一般建于野外空曠的場(chǎng)地，大氣流動(dòng)所形成的風(fēng)荷載直接作用于定日鏡表面，影響聚光效率和結(jié)構(gòu)安全[2]．青藏高原是我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，同時(shí)也是全球雷電活動(dòng)最為活躍的地區(qū)之一[3-4]．當(dāng)定日鏡場(chǎng)處于雷暴天氣下時(shí)，極易遭受雷暴強(qiáng)風(fēng)的威脅，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞．下?lián)舯┝魇抢妆┨鞖庵幸环N常見的近地面強(qiáng)風(fēng)，瞬時(shí)速度可達(dá)75 m/s，且其發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)具有隨機(jī)性，難以預(yù)防，對(duì)工程結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)致災(zāi)性[5]．此外，下?lián)舯┝魇茱L(fēng)暴移動(dòng)和下沉氣流變化影響，整體風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定、隨時(shí)間和空間變化劇烈的特點(diǎn)[6].相比于大氣邊界層風(fēng)的風(fēng)速沿高度單調(diào)緩慢增加，下?lián)舯┝黠L(fēng)速可在近地面高度迅速增大至最大值，這將對(duì)安裝高度普遍在10 m左右的定日鏡帶來遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)威脅．

定日鏡抗風(fēng)問題是塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)中的研究熱點(diǎn)．Strachan等[7]于1986—1992年間對(duì)位于美國(guó)新墨西哥州的2種不同類型定日鏡開展了長(zhǎng)達(dá)6 a的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，獲得了定日鏡周圍風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的大量數(shù)據(jù)．Terrés-Nícoli等[8]提出了一種評(píng)估定日鏡上動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷效應(yīng)的方法，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了由于風(fēng)的湍流特性引起的定日鏡風(fēng)荷載的時(shí)空變化特征．Pfahl等[9]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了高寬比和雷諾數(shù)對(duì)定日鏡風(fēng)荷載特性的影響．Burisch等[10]設(shè)計(jì)制作了定日鏡的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)模型并開展了風(fēng)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果顯示在較低湍流強(qiáng)度下實(shí)測(cè)值和理論值相差較小，但在高湍流強(qiáng)度(30%)下差異明顯．盧春玲等[11]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算了定日鏡結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓系數(shù)、阻力、升力以及力矩系數(shù)．王鶯歌等[12]結(jié)合試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬研究了定日鏡周圍流場(chǎng)特征、干擾效應(yīng)和等效風(fēng)荷載．馮煜等[13]提出將響應(yīng)面模型與序列二次規(guī)劃算法相結(jié)合的方法，對(duì)風(fēng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生非線性響應(yīng)的定日鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)．王延忠等[14]通過在流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)界面建立數(shù)據(jù)映射來實(shí)現(xiàn)考慮實(shí)際風(fēng)載的定日鏡流固耦合分析，發(fā)現(xiàn)受渦脫效應(yīng)影響，定日鏡結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力．黃嵩等[15]通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到了作用于定日鏡正反兩面的風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)，完成了不同鏡面仰角和來流風(fēng)向角條件下的結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算，評(píng)估了定日鏡結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的隨機(jī)應(yīng)力循環(huán)致疲勞線性累積損傷值．馬瑞霞等[16]采用超級(jí)計(jì)算技術(shù)建立了定日鏡群的數(shù)值模擬模型，研究了大規(guī)模定日鏡群風(fēng)環(huán)境特性．尹旭等[17]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)定日鏡繞流風(fēng)場(chǎng)的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過模擬結(jié)果分析了定日鏡繞流風(fēng)場(chǎng)的分布特征及其產(chǎn)生的原因．吉柏鋒等[18-19]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，研究了下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)中不同徑向距離和工作俯仰角下定日鏡表面風(fēng)壓的分布規(guī)律，并與常規(guī)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中的表面風(fēng)壓進(jìn)行了對(duì)比分析．上述針對(duì)定日鏡抗風(fēng)性能的相關(guān)研究主要集中于常規(guī)大氣邊界層近地風(fēng)引起的風(fēng)環(huán)境和荷載效應(yīng)問題，或是下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)中定日鏡風(fēng)效應(yīng)．然而，真實(shí)下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)在形成、下沉與擴(kuò)散的過程中，具有很強(qiáng)的瞬時(shí)特征，因此需要開展下?lián)舯┝鳑_擊作用下定日鏡風(fēng)荷載效應(yīng)研究，以了解下?lián)舯┝魉矐B(tài)風(fēng)場(chǎng)中定日鏡表面風(fēng)壓分布時(shí)變特征．

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)下?lián)舯┝魉矐B(tài)風(fēng)場(chǎng)中不同工作姿態(tài)的定日鏡表面風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了下?lián)舯┝魉矐B(tài)風(fēng)場(chǎng)中不同時(shí)刻、不同工作俯仰角下的定日鏡表面風(fēng)壓特征．

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

文獻(xiàn)[20]指出，利用沖擊射流模型對(duì)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬得到的風(fēng)剖面與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好．基于沖擊射流模型的中心對(duì)稱性，本文采用該模型的1/4區(qū)域進(jìn)行建模．設(shè)定下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的初始出流直徑Djet=600 m，初始速度入口位置至地面的距離為2Djet，計(jì)算域的高度和寬度分別為4Djet和10Djet．采用長(zhǎng)、寬均為10.28 m的定日鏡模型，定日鏡與下?lián)舯┝黠L(fēng)暴中心的徑向距離為r=1.0Djet．由于鏡面厚度不超過長(zhǎng)度的1/1 000，因此將定日鏡設(shè)置為零厚度面．圖1給出了下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)計(jì)算域．

圖1 下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)計(jì)算域

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

在距離風(fēng)暴中心0.5Djet、3.0Djet和6.0Djet處將計(jì)算域進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格，通過interface邊界條件連接相鄰計(jì)算域形成非一致網(wǎng)格．4塊計(jì)算域近壁面的首層網(wǎng)格高度分別為0.05、0.1、0.3、0.8 m．為提高定日鏡周圍區(qū)域的計(jì)算精度，將其嵌套在一個(gè)小長(zhǎng)方體流域內(nèi)，對(duì)該流域網(wǎng)格進(jìn)行加密．由于不同時(shí)刻太陽(yáng)入射角不同，定日鏡在工作時(shí)需要不斷改變工作俯仰角以實(shí)現(xiàn)較好的聚光效率，針對(duì)俯仰角的差異采取相應(yīng)的網(wǎng)格劃分方式．當(dāng)俯仰角β=90°時(shí)，對(duì)包含定日鏡的嵌套小長(zhǎng)方體流域采取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方式；當(dāng)β=30°，60°時(shí)，對(duì)包裹定日鏡的嵌套小長(zhǎng)方體流域采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方式．圖2為β=90°時(shí)計(jì)算域的網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格總數(shù)為8.18×106．

圖2 下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格

1.3 計(jì)算參數(shù)

下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)初始出流速度vjet=18 m/s，速度入口和壓力出口采用一致的湍流條件：湍流強(qiáng)度為1%，水力直徑為600 m．對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱模式，滑移壁面的剪應(yīng)力設(shè)置為零．選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，加密近壁面網(wǎng)格，使第1層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離控制為30～70，滿足該函數(shù)的要求．由于下?lián)舯┝鳑_擊定日鏡的過程中存在流動(dòng)分離現(xiàn)象，湍流模型選擇Realizablek-ε模型，該模型能夠提供旋流修正，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、流動(dòng)分離的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確．采用SIMPLEC算法求解壓力和速度的耦合方程，該方法相比SIMPLE算法收斂速度更快．離散格式采用二階迎風(fēng)格式．將庫(kù)朗數(shù)控制為0.5，以確定不同計(jì)算工況的時(shí)間步長(zhǎng)．在定日鏡四周設(shè)置多個(gè)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)速度隨時(shí)間的變化.計(jì)算時(shí)步內(nèi)的收斂準(zhǔn)則為動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率和質(zhì)量連續(xù)方程的相對(duì)殘差均小于 1×10-5．

1.4 下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的有效性，將數(shù)值模擬得到的風(fēng)剖面與文獻(xiàn)[21-24]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3．圖中，v為測(cè)點(diǎn)速度；vmax為速度最大值；z為測(cè)點(diǎn)高度；zmax為速度最大值所對(duì)應(yīng)的高度；橫坐標(biāo)v/vmax表示無量綱風(fēng)速；縱坐標(biāo)z/zmax表示無量綱高度．由圖可知，基于本文模型得到的風(fēng)剖面與文獻(xiàn)[21-24]結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的有效性．

圖3 下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的有效性驗(yàn)證

2 定日鏡風(fēng)壓分布時(shí)變特征

由于本文著重研究定日鏡在下?lián)舯┝鳑_擊過程中的表面風(fēng)壓特性，因此選取從下?lián)舯┝鹘咏ㄈ甄R到遠(yuǎn)離定日鏡的時(shí)間段(下?lián)舯┝鳑_擊時(shí)間t=90～138 s)進(jìn)行分析．

2.1 迎風(fēng)面風(fēng)壓

平均風(fēng)壓系數(shù)Cp,m定義如下：

(1)

式中，p、p0分別為測(cè)點(diǎn)和風(fēng)速參考點(diǎn)處的壓力值；ρ=1.225 kg/m3為空氣密度；vref為風(fēng)速參考點(diǎn)處的風(fēng)速.風(fēng)速參考點(diǎn)選取為下?lián)舯┝鞒隹谥行?，因此vref等于下?lián)舯┝鞒跏汲隽魉俣葀jet.

下?lián)舯┝鳑_擊過程中，不同工作俯仰角β下定日鏡迎風(fēng)面各時(shí)刻風(fēng)壓云圖見圖4～圖6.由圖可知，伴隨下?lián)舯┝鞯臎_擊過程，無論處于小俯仰角β=30°還是大俯仰角β=90°，定日鏡迎風(fēng)面風(fēng)壓均經(jīng)歷先增大后減小的變化過程.究其原因在于，下?lián)舯┝髟谛纬蓴U(kuò)散的過程中，近地面風(fēng)速先急劇增大，在距風(fēng)暴中心徑向距離約為1倍出流直徑位置處達(dá)到峰值，隨后開始逐漸減小．同一時(shí)刻定日鏡在3種典型俯仰角下的迎風(fēng)面風(fēng)壓峰值基本相同，但峰值點(diǎn)位置隨著俯仰角的增加逐漸向上移至鏡面中心．在相同的風(fēng)壓系數(shù)定義下，文獻(xiàn)[19]中下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)中的定日鏡迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)峰值為1.0，而在下?lián)舯┝魉矐B(tài)風(fēng)場(chǎng)中的定日鏡迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)峰值可達(dá)1.4．這是因?yàn)橄聯(lián)舯┝鳑_擊地面到消散的過程中近地面最大風(fēng)速出現(xiàn)在主渦開始脫落且緊貼地面處次生渦產(chǎn)生的時(shí)刻，受主渦的負(fù)壓力影響，邊界層氣流產(chǎn)生了分離和重新附著過程.在此過程中，次渦產(chǎn)生，且與主渦方向相反，主渦和次渦的展開過程對(duì)風(fēng)場(chǎng)的徑向速度起到加速作用[5]．由此表明，在評(píng)估下?lián)舯┝鲗?duì)定日鏡風(fēng)致效應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)的非平穩(wěn)特征．

(a) t=90 s

(a) t=90 s

(a) t=90 s

2.2 背風(fēng)面風(fēng)壓分布

下?lián)舯┝鳑_擊過程中，不同工作俯仰角的定日鏡背風(fēng)面各時(shí)刻風(fēng)壓云圖見圖7～圖9.由圖可知，定日鏡背風(fēng)面所受壓力為負(fù)壓，高壓區(qū)域位于鏡面中部?jī)蓚?cè)，隨著沖擊過程的演變，高壓區(qū)域范圍先增大后減小，逐漸向鏡面中心擴(kuò)展.與迎風(fēng)面風(fēng)壓類似，背風(fēng)面負(fù)壓也表現(xiàn)為先增大后減小的時(shí)變特征，且比迎風(fēng)面正壓力提前達(dá)到壓力峰值.同一時(shí)刻下定日鏡背風(fēng)面高壓區(qū)范圍隨俯仰角的增大逐漸減小，低壓區(qū)范圍逐漸增大，緩慢向定日鏡中心移動(dòng)，風(fēng)壓系數(shù)從1.8減小到1.0，呈由大到小變化特征，即小俯仰角工作姿態(tài)下定日鏡背風(fēng)面遭受更大的負(fù)壓作用.

(a) t=90 s

(a) t=90 s

(a) t=90 s

由此可知，在下?lián)舯┝魉矐B(tài)風(fēng)場(chǎng)中，定日鏡的表面風(fēng)壓表現(xiàn)出強(qiáng)時(shí)變性特征，不同時(shí)刻的表面風(fēng)壓存在較大差異．通過與文獻(xiàn)[19]中下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)中定日鏡的表面風(fēng)壓對(duì)比發(fā)現(xiàn)，定日鏡所遭受的迎風(fēng)面最大瞬時(shí)正壓力和背風(fēng)面最大瞬時(shí)負(fù)壓力均比穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)中的峰值壓力更大．在定日鏡小俯仰角工作姿態(tài)下，常規(guī)風(fēng)場(chǎng)中定日鏡迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓均較小，故設(shè)計(jì)中通常將小俯仰角狀態(tài)作為一種強(qiáng)風(fēng)避險(xiǎn)姿態(tài).然而，在下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)作用下定日鏡迎風(fēng)面風(fēng)壓較小，但是背風(fēng)面可能遭受更大負(fù)壓力，故在現(xiàn)行的定日鏡抗風(fēng)設(shè)計(jì)中采用的小俯仰角避險(xiǎn)姿態(tài)并不完全適用于考慮下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)作用的情況．此外，下?lián)舯┝髯鳛橐环N強(qiáng)度大、時(shí)間短的雷暴強(qiáng)風(fēng)，其近地面風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度受下?lián)舯┝餍纬伞U(kuò)散和消退過程影響明顯，這也是引起瞬態(tài)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)中定日鏡表面風(fēng)壓時(shí)變特征的根本原因．本文僅選取了某一特定型式的定日鏡進(jìn)行了分析討論，在塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站中會(huì)存在不同尺寸和形狀的定日鏡型式，且處于大規(guī)模定日鏡場(chǎng)中的存在風(fēng)荷載群體干擾效應(yīng).根據(jù)文獻(xiàn)[5]，實(shí)際下?lián)舯┝鞅壤硐胂聯(lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)更加復(fù)雜，是影響定日鏡安全性的重大威脅．因此，下一步研究中需要依據(jù)定日鏡場(chǎng)所在地的氣象資料得到驅(qū)動(dòng)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)模擬的實(shí)際參數(shù)，研究下?lián)舯┝髯饔孟虏煌ㄈ甄R型式在單鏡和鏡群環(huán)境中的安全性問題.

3 結(jié)論

1) 受到下?lián)舯┝餍纬蓴U(kuò)散過程引起的近地面風(fēng)場(chǎng)變化影響，在下?lián)舯┝鞯臎_擊作用下無論定日鏡處于何種工作姿態(tài)，迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓都表現(xiàn)為先增大后減小的時(shí)變特征，背風(fēng)面比迎風(fēng)面提前達(dá)到壓力峰值，且迎風(fēng)面和背風(fēng)面瞬時(shí)峰值壓力均明顯大于穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)中的相應(yīng)峰值壓力．

2) 同一時(shí)刻定日鏡迎風(fēng)面正壓峰值中心隨著俯仰角的增大逐漸向上移至鏡面中心，風(fēng)壓峰值基本相同；定日鏡背風(fēng)面峰值中心隨俯仰角增大逐漸向兩側(cè)水平偏移，風(fēng)壓峰值逐漸減?。?/p>

3) 在小俯仰角工作姿態(tài)下定日鏡背風(fēng)面會(huì)遭受更大的負(fù)壓作用，現(xiàn)行的定日鏡抗風(fēng)設(shè)計(jì)中采用的小俯仰角避險(xiǎn)姿態(tài)并不完全適用于考慮下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)作用的狀況．