鄒瓊 ，劉毅超 ，李正農(nóng)

［1.湘潭大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長(zhǎng)沙 410082］

隨著太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的不斷普及，槽式聚光器作為太陽能光熱發(fā)電的主要載體，研究?jī)r(jià)值也越發(fā)重要［1］.由于槽式聚光器的結(jié)構(gòu)是由多個(gè)較薄的拋物型聚光鏡鏡面組成的，風(fēng)荷載對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響尤為重要，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地面槽式聚光器的風(fēng)力系數(shù)與風(fēng)壓分布進(jìn)行了廣泛研究.Hachicha等［2］通過大渦模擬方法對(duì)不同俯仰角下的槽式聚光器鏡面升力、阻力系數(shù)變化進(jìn)行研究，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法加以驗(yàn)證.鄒瓊等［3］通過風(fēng)洞試驗(yàn)討論了地面槽式聚光器的風(fēng)壓分布問題，并給出了鏡面各分區(qū)的風(fēng)壓峰值系數(shù).付康維［4］通過Realizablek-ε模型得到了28種工作情況下槽式聚光器鏡面的平均風(fēng)壓系數(shù)和周圍流場(chǎng)分布.大型的聚光系統(tǒng)一般呈列陣分布，樓文娟等［5］通過風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合發(fā)現(xiàn)列陣中的遮擋效應(yīng)隨著上游光伏板數(shù)量增加而增強(qiáng)，但在上游光伏板超過12個(gè)后，遮擋效應(yīng)趨于穩(wěn)定.槽式聚光系統(tǒng)除了應(yīng)用在大型槽式光熱發(fā)電站以外，也可為城市中的學(xué)校、酒店、醫(yī)院等大型建筑提供能源，但是，城市地區(qū)可用開放面積少，地價(jià)昂貴，這使得建筑物屋頂成為安裝槽式聚光鏡最理想的位置.屋頂風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜多變，與地面風(fēng)場(chǎng)完全不同，因此研究屋頂上槽式聚光器的風(fēng)荷載效應(yīng)十分必要.目前對(duì)于屋頂上結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的研究主要集中在風(fēng)場(chǎng)或光伏板等方面，其中Singh 等［6］基于Realizablek-ε模型綜合比較了不同樣式屋頂上風(fēng)壓的變化規(guī)律.王京學(xué)［7］結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)及大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）方法綜合分析了正風(fēng)向和斜風(fēng)向下屋頂光伏板的氣動(dòng)力特性.而對(duì)拋物型鏡面結(jié)構(gòu)在屋頂?shù)娘L(fēng)壓分布研究較少，特別是對(duì)多個(gè)聚光器在屋頂上的風(fēng)壓分布研究更為少見.由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)環(huán)境有較高要求，風(fēng)洞試驗(yàn)人工費(fèi)用高.而上述學(xué)者的研究表明，數(shù)值模擬的方法與試驗(yàn)所得結(jié)果吻合較好，成本較低且能反映出流場(chǎng)周圍情況，因此數(shù)值模擬方法逐漸成為可靠的研究手段.因此，本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent 對(duì)單個(gè)平屋頂槽式聚光器（Flat Roof Trough Concentrator，F(xiàn)RTC）的風(fēng)荷載分析進(jìn)行大渦模擬，獲得鏡面的風(fēng)壓分布規(guī)律和特征，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性；然后對(duì)平屋頂上3×3個(gè)槽式聚光器組進(jìn)行大渦模擬，得到鏡群干擾下屋頂聚光器組鏡面風(fēng)壓分布的最不利位置.相關(guān)結(jié)論可為槽式聚光器在平屋頂鋪設(shè)時(shí)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

本次風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)建筑與環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室HD-3 大氣邊界層風(fēng)洞進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)高2.5 m，寬3 m，地面可轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤直徑為1.8 m，風(fēng)洞中風(fēng)速最高可以調(diào)至25 m∕s［8］，槽式聚光器原型由鏡片、扭矩盒式支架、左右翅片、集熱管支架、傳動(dòng)系統(tǒng)和兩側(cè)支撐組成，鏡面水平投影尺寸為12.2 m×7.4 m，鏡面離地最大高度7.5 m（圖1）.屋頂設(shè)置一個(gè)32 m×32 m的矩形平臺(tái)，高15 m，女兒墻高度為1 m［9］.槽式聚光器在風(fēng)洞試驗(yàn)中的模型與實(shí)際原型的縮尺比為1∶35，阻塞率小于5%，滿足試驗(yàn)要求.考慮到縮尺比的因素，沒有對(duì)鏡面進(jìn)行開縫處理，而是簡(jiǎn)化成上下兩塊大的薄殼型鏡片.風(fēng)洞試驗(yàn)中采用劈尖、梯板、格柵、以及擺放粗糙塊到不同的位置來實(shí)現(xiàn)與實(shí)測(cè)相似的風(fēng)場(chǎng)條件（圖2），模型的正反面分別設(shè)置88 個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖3）.由于本文主要探究數(shù)值模擬方向，故僅取幾個(gè)具有代表性的工況風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性.

圖1 槽式聚光器原型圖（單位：mm）Fig.1 Prototype of trough condenser（unit：mm）

圖2 風(fēng)洞布置Fig.2 Wind tunnel layout

圖3 鏡面測(cè)點(diǎn)分布圖（單位：mm）Fig.3 Mirror measuring point distribution（unit：mm）

2 單鏡槽式聚光鏡模擬

2.1 模型以及網(wǎng)格劃分

此次模擬的屋頂槽式聚光器模型與風(fēng)洞試驗(yàn)中模型的縮尺比相同，縮尺比為1∶35，模型主要由兩個(gè)不開縫的薄殼型弧狀鏡面組成，兩個(gè)鏡面的投影面積為348 mm×192 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與風(fēng)洞試驗(yàn)中相同.整個(gè)數(shù)值模擬計(jì)算流域［10］長(zhǎng)10.45 m，寬8.34 m，高3.82 m.其中阻塞率用建筑物最大迎風(fēng)面積與計(jì)算域橫截面積的比值表示，此次模擬阻塞率為0.224%，小于5%，因此阻塞率符合要求［11］.此次模擬的網(wǎng)格劃分使用ICEM 軟件，整個(gè)計(jì)算流域采用混合網(wǎng)格的劃分方法，屋頂正面距入口3.18 m，屋頂背面距出口6.35 m，槽式聚光器位于屋頂?shù)闹行奈恢?，即大致處于整個(gè)計(jì)算流場(chǎng)域的1∕3位置處［12］，這樣可以保證流體在聚光器前后充分流動(dòng).大渦模擬中，壁面邊界層網(wǎng)格對(duì)于計(jì)算聚光器鏡面的風(fēng)壓特性有很大影響，y+的取值在1附近時(shí)能較好地保證流體在壁面充分流動(dòng)，y+的計(jì)算方法如下式所示［13］.

式中：ρ為空氣密度；y為第1 層網(wǎng)格高度；u*為摩擦速度；τω為壁面剪切應(yīng)力；μ為動(dòng)力黏度；Cf為局部摩擦因數(shù)；Re為雷諾數(shù)；U∞為入口處風(fēng)剖面平均風(fēng)速.

根據(jù)上述公式可以計(jì)算出槽式聚光器鏡面的第1 層網(wǎng)格高度為4.8×10-5m，邊界層網(wǎng)格的增長(zhǎng)率為120%，設(shè)置10 層網(wǎng)格捕捉鏡面的風(fēng)場(chǎng)特性信息.同時(shí)對(duì)屋頂上槽式聚光器周圍的網(wǎng)格進(jìn)行整體加密，并改變加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸大小以改變網(wǎng)格質(zhì)量.為了在盡可能減少計(jì)算資源使用量的情況下保證計(jì)算風(fēng)壓的準(zhǔn)確性，此次模擬準(zhǔn)備了3 套網(wǎng)格，如表1 所示，維持外流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，改變內(nèi)部非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中全局最大網(wǎng)格尺寸、鏡面網(wǎng)格尺寸、主梁和框架的面網(wǎng)格尺寸，以及聚光器周圍加密區(qū)尺寸.

表1 內(nèi)部非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格參數(shù)對(duì)照Tab.1 Internal unstructured mesh parameter comparison

本文選取上排鏡面測(cè)點(diǎn)B3、C6、D9與下排鏡面測(cè)點(diǎn)E3、F6、G9的平均風(fēng)壓系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差（用εp，rms表示）和湍流強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差（用εI，rms表示）作為三套網(wǎng)格和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比誤差的參考標(biāo)準(zhǔn).對(duì)比結(jié)果如表2 所示，Mesh1的計(jì)算誤差遠(yuǎn)大于Mesh2和Mesh3，盡管Mesh3的計(jì)算誤差略小于Mesh2，但是考慮到工況較多而計(jì)算資源有限，且計(jì)算結(jié)果沒有明顯差距，因此選取Mesh2作為計(jì)算網(wǎng)格.在0°風(fēng)向角0°仰角工況下，展示計(jì)算域三維網(wǎng)格和部分細(xì)節(jié)放大網(wǎng)格，如圖4、圖5所示.

表2 網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid number independence verification %

圖4 整體計(jì)算域網(wǎng)格Fig.4 Overall computational domain grid

圖5 細(xì)部結(jié)構(gòu)放大網(wǎng)格Fig.5 Enlarged mesh of detailed structure

2.2 邊界條件的設(shè)定以及計(jì)算原理

為了最大限度地還原屋頂風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)情況，得出了數(shù)值模擬下的C 類風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面以及湍流度剖面，需要將數(shù)值模擬計(jì)算域中的風(fēng)場(chǎng)調(diào)試成與風(fēng)洞試驗(yàn)中的風(fēng)場(chǎng)一致，風(fēng)剖面變化規(guī)律與《中國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBJ 50009—2012）中的C 類、日本荷載規(guī)范AIJ—2004中的Ⅲ類理論剖面較吻合.計(jì)算結(jié)果如圖6 所示.風(fēng)速參考點(diǎn)還原風(fēng)洞試驗(yàn)，取的是距地面80 cm屋頂槽式聚光鏡的左前方處，不會(huì)受到其他干擾，保證計(jì)算域的平均風(fēng)剖面得到最大限度的還原.

圖6 數(shù)值風(fēng)剖面Fig.6 Numerical wind profile

穩(wěn)態(tài)模擬［14］湍流模型選擇的是Realizablek-ε，主要是因?yàn)樵撃Ｐ蜐M足對(duì)雷諾應(yīng)力的約束條件，在計(jì)算中可以更精確地模擬鏡面上氣流的擴(kuò)散速度.入口邊界采用速度邊界條件，速度入口采用渦方法，在入口平面構(gòu)造隨機(jī)生成的渦來產(chǎn)生湍流脈動(dòng)［15］.

式中：N6為入口平面的渦數(shù)量；x為流域中各個(gè)渦的坐標(biāo)；xi為渦中心位置的坐標(biāo)；z為順流向單位矢量；σi為渦的特征尺寸；Γi為渦環(huán)通量.

式中：S為速度入口的平面面積；k為湍流動(dòng)能.

出口邊界采用完全自由流動(dòng)邊界.速度壓力耦合選用SIMPLEC 算法.瞬態(tài)模擬［16-17］中采用大渦模擬（LES），利用穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂后得到的結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初值，可以在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，加快模擬的收斂速度.大渦模擬計(jì)算采用 WALE 模型，瞬態(tài)方程的離散格式選用二階隱式格式［18］.已有風(fēng)洞試驗(yàn)［8］的采樣頻率為330 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為33 s，因此確定此次模擬總時(shí)長(zhǎng)為33 s，其中前3 s 用于初始化流場(chǎng)，后30 s 用于計(jì)算模擬結(jié)果.為保證滿足CFL數(shù)計(jì)算收斂條件，時(shí)間步長(zhǎng)選取3×10-3s，迭代殘差精度取10-6.入口處的湍流動(dòng)能、耗散率分別為：

式中：VZ為入口處平均風(fēng)速；Iu為z高度處的湍流強(qiáng)度；l為湍流積分尺度，計(jì)算公式為l=100(z∕30)0.5；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cu取0.09.根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的模擬結(jié)果，將湍流動(dòng)能、耗散率、入口風(fēng)速以及湍流積分尺度編譯在UDF 程序，與Fluent 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，使得數(shù)值模擬中計(jì)算流域的空氣流動(dòng)重現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)中的流動(dòng)情況.

3 屋頂單鏡風(fēng)壓分布

大渦模擬中測(cè)點(diǎn)布置與風(fēng)洞試驗(yàn)中的位置是相同的，即在拋物鏡的正、背面的同一位置布置成對(duì)的測(cè)點(diǎn)，每對(duì)測(cè)點(diǎn)的凈風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：Cpi(t)為無量綱風(fēng)壓系數(shù)分別為迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)；ρ為空氣密度，與風(fēng)洞試驗(yàn)一樣取1.293 kg∕m3；VH為參考點(diǎn)風(fēng)速，符合我國(guó)荷載規(guī)范中對(duì)于C 類風(fēng)場(chǎng)的規(guī)定.通過Cpi(t)的分析，可以得出平均風(fēng)壓系數(shù)如下：

由于屋頂槽式聚光器的工作狀態(tài)與地面槽式聚光器工作狀態(tài)大體一致，因此采用地面槽式聚光鏡平均風(fēng)壓系數(shù)的取法［19］，即用鏡面的上下表面風(fēng)壓相減得到凈風(fēng)壓系數(shù).

通過對(duì)比典型工況（如30-045 代表的是30°仰角、45°風(fēng)向角下聚光器的工作情況）下數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的平均風(fēng)壓系數(shù)等值線圖（圖7），發(fā)現(xiàn)大渦模擬得到的風(fēng)壓分布結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的結(jié)果貼合較好（參考馬瑞霞［20］對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)和定日鏡鏡面風(fēng)壓分布的結(jié)果），模擬得到的最大平均風(fēng)壓系數(shù)差值在可接受的范圍之內(nèi)（參考付康維［4］對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)和地面槽式聚光鏡風(fēng)壓分布結(jié)果），鏡面風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律與風(fēng)洞試驗(yàn)一致.地面聚光鏡在此風(fēng)向角下鏡面最大平均風(fēng)壓系數(shù)［4］為1.186，要比屋頂聚光鏡大30.8%，而斜風(fēng)向情況下屋頂聚光鏡要比地面聚光鏡的最大風(fēng)壓系數(shù)大23.2%，數(shù)值模擬的最大風(fēng)壓系數(shù)要比風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果偏小6.84%左右.表3將不同工況下風(fēng)洞試驗(yàn)中得到的鏡面最大平均風(fēng)壓系數(shù)和大渦模擬得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

表3 不同工況下最大平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of maximum average wind pressure coefficients under different working conditions

對(duì)比風(fēng)向角0°和45°、聚光鏡仰角0°至90°的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用大渦模擬方法得到的單個(gè)聚光器鏡面的最大風(fēng)壓系數(shù)，與風(fēng)洞試驗(yàn)中得到鏡面的最大風(fēng)壓系數(shù)相比，斜風(fēng)向角下差值小于5%，正風(fēng)向下差值小于10%，最大偏差小于10%，在正常的范圍內(nèi)，風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律也擬合得較好，因此本次大渦模擬可以較好地模擬平屋頂槽式聚光器鏡面的風(fēng)壓分布規(guī)律.

4 屋頂聚光鏡組風(fēng)壓分布模擬

4.1 基本模型與工況選擇

實(shí)際工程中的屋頂槽式聚光器通常是多個(gè)聚光器按照陣列排列方式組成的.本文在風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上將槽式聚光器的數(shù)量增加至9 個(gè)，在原來屋頂尺寸基礎(chǔ)上沿X軸向兩邊各伸長(zhǎng)5 m，同排聚光器之間間隔1 m.根據(jù)徑向不遮擋的原則［20］，沿Y軸每排聚光鏡之間間隔9.5 m，按縮尺比1∶35反映在數(shù)值模擬的模型中.由于鏡面數(shù)量多，需要對(duì)槽式聚光器組模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文參考付康維［4］在模擬地面聚光器組時(shí)的處理方法，只保留鏡面最后的迭代結(jié)果也能得到較理想的模擬結(jié)果.在不影響關(guān)鍵的計(jì)算結(jié)構(gòu)（即槽式聚光鏡鏡面）的情況下，考慮到大量鏡背次梁會(huì)大幅增加網(wǎng)格數(shù)量且降低網(wǎng)格質(zhì)量，因此在幾何建模中去掉鏡背的次梁支架，其余部分保留.

在不同俯仰角以及不同風(fēng)向角下槽式聚光器受到的風(fēng)荷載不同，聚光器之間所受到的干擾效應(yīng)也大不相同.本文挑選聚光器0°仰角，風(fēng)向角分別為0°、45°、90°、135°、180°的工況作為代表進(jìn)行研究，屋頂聚光器組位置分布如圖8所示.為了更直觀地觀察鏡面的風(fēng)壓分布及變化，將聚光器鏡面上各測(cè)點(diǎn)按圖8（c）位置進(jìn)行分區(qū)，其中1、3、10、12區(qū)為角部區(qū)域，2、4、5、6、9、11、15、16區(qū)為邊部區(qū)域，7、8、13、14區(qū)為中部區(qū)域.各分區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)可按式（11）計(jì)算：

圖8 屋頂聚光器組位置分布Fig.8 Location distribution of roof concentrator groups

式中：Cpj為區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)；Ai為某測(cè)點(diǎn)所代表的面積.

FRTC 在反映鏡面的平均風(fēng)壓分布時(shí)，選擇每面鏡的角、邊、中心區(qū)域來反映聚光器組不同鏡面的風(fēng)壓分布規(guī)律.

4.2 聚光器組結(jié)果分析

4.2.1 聚光器組風(fēng)壓分布

圖9 給出的是平屋頂槽式聚光器組中鏡面中部區(qū)域（7 區(qū)）的平均風(fēng)壓系數(shù).當(dāng)來流風(fēng)為0°時(shí)，第1排的1、2、3 號(hào)槽式聚光器鏡面風(fēng)壓系數(shù)最大，屋頂?shù)? 排聚光器在很大程度上起到了遮擋作用［21］，后排的聚光器受到的干擾效應(yīng)十分顯著.當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，最靠近來流風(fēng)的3 號(hào)槽式聚光器鏡面各區(qū)風(fēng)壓系數(shù)最大，聚光器鏡面上各個(gè)分區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)隨來流位置距離增大而減小.聚光器組中間位置的平均風(fēng)壓系數(shù)僅為單鏡情況下的15.81%.當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，氣流平行吹過聚光器組鏡面，屋頂各個(gè)位置聚光器鏡面風(fēng)壓系數(shù)都在0 左右浮動(dòng).由此可見，在90°風(fēng)向角的工況下，來流風(fēng)位置對(duì)屋頂聚光器組風(fēng)壓分布的影響較小.當(dāng)風(fēng)向角為135°時(shí)，9 號(hào)聚光鏡距來流風(fēng)的位置最近，出現(xiàn)最大負(fù)風(fēng)壓系數(shù)，為-1.09，屋頂其他聚光器的各區(qū)風(fēng)壓系數(shù)分布與45°風(fēng)向角時(shí)的情況相似，如前面沒有聚光器遮擋的3、6、7、8 號(hào)聚光器的負(fù)壓較高，僅次于9 號(hào)聚光器，屋頂中央以及后排聚光器鏡面風(fēng)壓系數(shù)偏小.當(dāng)來流風(fēng)以180°風(fēng)向角吹向屋頂聚光器組時(shí)，距離來流風(fēng)距離最近的7、8、9 號(hào)聚光鏡的平均風(fēng)壓系數(shù)高于屋頂其他位置的聚光器風(fēng)壓系數(shù)，規(guī)律與0°風(fēng)向角時(shí)情況相似，中間以及尾部的聚光器受到前排聚光器的遮擋［22］.

圖9 屋頂聚光器組7區(qū)風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 Wind pressure coefficient in zone 7 of roof concentrator group

綜上，屋頂不同位置的聚光器受不同風(fēng)向來流作用時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)變化較大.在不同風(fēng)向角下，屋頂聚光器組的最不利位置也會(huì)隨之變化.在順風(fēng)向情況下，距來流風(fēng)最近的一排聚光器鏡面風(fēng)壓系數(shù)最大，中間及后排的聚光鏡風(fēng)壓系數(shù)為前排聚光鏡的8.75%.斜風(fēng)向情況下，屋頂邊緣最靠近來流風(fēng)位置聚光器鏡面風(fēng)壓系數(shù)遠(yuǎn)高于其他聚光器.根據(jù)上述現(xiàn)象可以得出，靠近來流風(fēng)方向的聚光器的風(fēng)壓系數(shù)遠(yuǎn)大于中間位置的聚光器以及后排的聚光器；屋頂四個(gè)角落位置的聚光器鏡面的風(fēng)壓系數(shù)相比于其他位置的聚光器要大，可以認(rèn)為是屋頂拋物面槽式聚光器組的最不利位置.

4.2.2 屋頂聚光器組與地面聚光器組對(duì)比

由4.2.1 節(jié)可知，處在屋頂中間位置的聚光器鏡面風(fēng)壓系數(shù)主要受旁邊聚光器的干擾作用，結(jié)合付康維［4］得出的地面聚光器組干擾效應(yīng)，本節(jié)選取0°風(fēng)向角，俯仰角分別為0°、30°、60°、90°的工況，研究屋頂聚光器組的干擾效應(yīng)并進(jìn)行對(duì)比、分析.

由圖7 可知，鏡組的風(fēng)壓系數(shù)在數(shù)值上與其有較大差距，因此引入干擾系數(shù)τ［4］來反映數(shù)值上的差距，表達(dá)干擾效應(yīng)大小.

式中：τi為鏡組分區(qū)i的干擾系數(shù)；C鏡組i區(qū)為鏡組鏡面分區(qū)i的平均風(fēng)壓系數(shù)；C單鏡i區(qū)為單鏡鏡面分區(qū)i的平均風(fēng)壓系數(shù).

圖10 為不同俯仰角時(shí)下游鏡面各區(qū)域的干擾系數(shù)變化結(jié)果.由于篇幅有限，主要將受屋頂女兒墻影響較大的下游鏡面與地面聚光器組的干擾系數(shù)進(jìn)行對(duì)比.

圖10 屋頂與地面聚光器組干擾系數(shù)對(duì)比Fig.10 Comparison of interference coefficients between roof and ground concentrator groups

通過對(duì)比屋頂和地面聚光器組鏡面下游的干擾系數(shù)發(fā)現(xiàn)，屋頂聚光器組中間位置聚光器在0°、30°、60°俯仰角下所受的干擾效應(yīng)要強(qiáng)于地面的情況.分析認(rèn)為，當(dāng)聚光器正面迎風(fēng)時(shí)，由于風(fēng)在沿建筑物攀升的過程中遇到了槽式聚光器正面的凹型結(jié)構(gòu)，從而形成回流造成聚光器正面較大的漩渦，與地面情況相比減弱了向后排傳遞的風(fēng)力，鏡組在斜風(fēng)向下最大風(fēng)壓系數(shù)比單鏡高出6.71%.90°情況下風(fēng)平行流經(jīng)聚光器，干擾系數(shù)與地面情況類似.干擾系數(shù)左右對(duì)稱，符合正面迎風(fēng)的情況，走勢(shì)與地面情況相吻合.

4.2.3 屋頂角落聚光鏡風(fēng)壓分布

由4.2.1 節(jié)可知，屋頂角落位置的4 個(gè)聚光器處于屋頂聚光器組的最不利位置，因此本節(jié)著重分析該鏡面上風(fēng)壓分布的具體情況.

圖11 反映的是屋頂槽式聚光鏡組中四個(gè)角落位置的聚光鏡表面的風(fēng)壓系數(shù)等值線圖；圖12 反映的是0°仰角0°風(fēng)向角下，屋頂槽式聚光器的速度云圖和速度矢量圖；圖13 反映的是0°仰角45°風(fēng)向角下屋頂槽式聚光器的速度云圖和壓力云圖.

圖12 0°風(fēng)向角速度云圖和速度矢量圖Fig.12 Velocity cloud map and velocity vector diagram of 0° wind angle

圖13 45°風(fēng)向角速度云圖和壓力云圖（z=19.2 m）Fig.13 Velocity cloud map and pressure cloud map of 45° wind angle（z=19.2 m）

從圖11（a）可以看出，風(fēng)向角為0°時(shí)，1 號(hào)鏡和3號(hào)鏡與來流位置最近，鏡面的風(fēng)壓系數(shù)要遠(yuǎn)大于其他位置.其各自的鏡面風(fēng)壓分布左右兩側(cè)基本對(duì)稱，最大風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在鏡面上邊緣，為1.05，從鏡面上游到下游風(fēng)壓系數(shù)呈遞減的趨勢(shì).7號(hào)鏡和9號(hào)鏡在屋頂最后一排，兩鏡面的風(fēng)壓系數(shù)基本為-0.05～-0.09.由圖12 可以看出，由于前排聚光鏡的遮擋，氣流在流過聚光器兩鏡面之間的開縫后，形成的駐渦［23］再次附著到后排聚光器正面形成負(fù)壓，同時(shí)另一部分氣流經(jīng)鏡面下沿與屋頂之間的空隙，在后排聚光器鏡面附著后形成負(fù)壓.由于大部分氣流在流經(jīng)前兩排聚光器時(shí)已被消耗，因此風(fēng)壓系數(shù)并不大.

從圖11（b）可以看出，風(fēng)向角為45°時(shí)，3 號(hào)鏡與來流位置的距離最近，整體的風(fēng)壓系數(shù)最大.從圖12可以看出，同一排聚光鏡之間，氣流在經(jīng)過兩鏡面之間縫隙時(shí)風(fēng)速會(huì)增大，與來流風(fēng)距離最近的3 號(hào)鏡正壓最大.最大風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在鏡面的中間位置以及鏡面的邊緣位置，為1.23，從中間向上下兩側(cè)逐漸減小.由圖11（c）可知，風(fēng)向角為90°，氣流平行流過聚光器組時(shí)，鏡面的風(fēng)壓系數(shù)有正有負(fù)，遠(yuǎn)離來流風(fēng)方向規(guī)律更加明顯，整體風(fēng)壓系數(shù)為-0.16～0.55.

從圖11（d）可以看出，風(fēng)向角為135°時(shí)，9 號(hào)聚光器距離來流風(fēng)的距離最近且前面并無遮擋的聚光鏡，9 號(hào)鏡面最大風(fēng)壓系數(shù)在鏡面中部為-1.57，由中間向兩側(cè)上下游梯度減小，邊角位置聚光器比中間位置聚光器的風(fēng)壓系數(shù)高出53.4%.這與45°風(fēng)向角時(shí)的規(guī)律相似.從圖11（e）可以看出，風(fēng)向角為180°時(shí)，最大負(fù)壓出現(xiàn)在7、9 號(hào)鏡面的中部.綜合各類工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，后排聚光鏡的最大風(fēng)壓系數(shù)為前排聚光鏡的17.6%.并不像0°風(fēng)向角時(shí)出現(xiàn)在鏡面邊緣，這是由槽式聚光器的拋物線形薄殼鏡面決定的，180°風(fēng)向角時(shí)，鏡組最外層的7、9號(hào)鏡的鏡面背部向外凸出，鏡背的中間部分最先接觸到來流風(fēng)，風(fēng)在往兩側(cè)鏡子邊緣移動(dòng)時(shí)發(fā)生繞流，因此在該風(fēng)向角下，鏡面風(fēng)壓系數(shù)由中間向上下兩側(cè)梯度遞減.

5 結(jié)論與展望

本文通過大渦模擬的方法對(duì)C 類風(fēng)場(chǎng)條件下平屋頂多個(gè)槽式聚光器的風(fēng)壓分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，運(yùn)用混合網(wǎng)格的劃分方法，獲得了不同來流風(fēng)向下平屋頂槽式聚光器組鏡面各個(gè)分區(qū)的風(fēng)壓分布特性，以及最不利位置下鏡面的平均風(fēng)壓等值線圖.主要結(jié)論如下：

1）通過對(duì)比屋頂單個(gè)槽式聚光器與地面單個(gè)槽式聚光器的風(fēng)壓系數(shù)發(fā)現(xiàn)，正風(fēng)向下屋頂鏡面最大風(fēng)壓系數(shù)比地面聚光鏡小30.8%；斜風(fēng)向下屋頂鏡面最大風(fēng)壓系數(shù)要比地面聚光鏡大23.2%.

2）在正風(fēng)向下屋頂槽式聚光器組第1 排鏡面風(fēng)壓系數(shù)最大，后兩排聚光器風(fēng)壓系數(shù)為-0.10～-0.03，同排聚光器中間位置的鏡面風(fēng)壓系數(shù)比旁邊兩個(gè)小；斜風(fēng)向下最靠近來流位置的鏡面風(fēng)壓系數(shù)最大，其余鏡面的風(fēng)壓系數(shù)隨距來流風(fēng)位置距離的增大而減小.

3）通過對(duì)屋頂各個(gè)位置聚光器風(fēng)壓分布的研究，發(fā)現(xiàn)屋頂角落位置的聚光器在各風(fēng)向角下承受的風(fēng)壓系數(shù)要大于其他位置的鏡面，即屋頂?shù)乃膫€(gè)角落為屋頂槽式聚光器組的最不利位置.

4）在45°和135°風(fēng)向角的作用下，拋物線形槽式聚光器鏡面的邊部區(qū)域最容易受損.在最不利風(fēng)向角的條件下，鏡組中最大風(fēng)壓系數(shù)比單鏡時(shí)高出6.71%.此外，邊角區(qū)域的最不利風(fēng)壓系數(shù)要比中間區(qū)域的高出53.4%.

5）與地面槽式聚光器組相比，分別在0°、30°、60°仰角的情況下，中部位置的聚光器受到的干擾作用更強(qiáng)，而90°仰角時(shí)受到的干擾作用與地面相似.

本文對(duì)平屋頂槽式聚光器鏡面的風(fēng)壓分布進(jìn)行了研究，在以下方面，未來仍可深入研究：改變屋頂尺寸或女兒墻高度，在計(jì)算能力允許的情況下研究槽式聚光器在不同仰角下，隨風(fēng)向角而改變的風(fēng)壓系數(shù)分布變化規(guī)律，進(jìn)而可根據(jù)鏡面的風(fēng)壓分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析，以全面研究屋頂槽式聚光器組的結(jié)構(gòu)安全性.