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50MW级槽式太阳能集热器支架在风荷载下的动态性能研究

作　者: 张微娜
导　师: 方治华
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 工程力学
关键词: 太阳能集热器支架风速时程模拟风振响应抛物面绕流
分类号: TK513.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

伴随着经济的发展，不可再生能源的消耗量持续增长，使得寻找新的能源已经成为全世界关注的问题，太阳能利用也越来越受到重视，太阳能热发电是太阳能利用的主要方向之一，目前实现商业化、标准化生产的是聚光类太阳能热发电。聚光类太阳能热发电是利用太阳能跟踪系统跟踪太阳运动，吸收太阳能转化为热能发电的系统。太阳能集热器跟踪系统的支架是跟踪系统部件中主要的承载构件。但是以往的研究主要集中在集热方面，对支架结构的研究是在优化设计之后进行静力分析，对结构动态特性的研究较少。本文就其风荷载下的动态性能进行研究分析，为支架设计提供参考。首先，建立支架有限元模型，对支架进行模态分析；对实际模型进行适当简化，选取支架所处的不同位置，在ANSYS中建立支架有限元模型，分析其模态参数及其随支架位置不同的变化规律。结果表明：支架的固有频率随聚光器旋转至不同位置的变化不大，自振频率低且密集。其次，选取最大迎风面位置，计算了结构的顺风向风振响应；在对结构进行风振响应分析之前，首先要获得风荷载时程样本数据，本文结合实际条件，选择数值模拟方法获得风荷载时程样本。根据随机振动理论，基于AR（自回归）模型，运用MATLAB编写风荷载时程模拟程序，获得抛物面的水平脉动风时程样本数据，并将其换算获得风荷载时程曲线。随后在ANSYS软件中将所得的风荷载时程数据施加到结构的抛物型反射镜表面上。经过瞬态时程分析，得到结构在风荷载下的响应。结果表明，结构在风荷载的作用下，支架主要发生了绕驱动轴的转动，低阶振型贡献较大，并且其在风荷载下的最大位移达到0.40216m；通过对应力的分析观察，得出：应力随时间会发生变化，但是最大应力值为6.58MPa，不会超过钢的屈服极限，在安全范围内。设计时主要考虑控制位移量。最后，对涡激振动的抛物面绕流做了初步分析；太阳能集热器反射镜集热板是抛物线形的，规范里没有明确给出此截面形状的有关参数。本文采用数值风洞方法，对最大迎风面位置在不同速度风场中的升力系数、绕流形态和漩涡脱落频率进行了模拟计算，分析得出：其升力系数相对较小，可以不考虑升力的影响；漩涡脱落频率随风速变化曲线比较接近直线，与斯托罗哈公式基本符合，并且其斯托罗哈数St=0.205，与圆柱的比较接近。支架结构最大迎风面的固有频率为漩涡脱落频率的整数倍，可能发生谐波共振，需要予以重视。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-20
  1.1 太阳能热发电的国内外发展现状  9-11
  1.2 研究背景  11-13
  1.3 风荷载研究现状  13-16
  1.4 绕流的研究现状  16-17
  1.5 论文研究目的和意义  17-18
  1.6 研究内容和方案  18-20
2 风荷载的数值模拟  20-33
  2.1 风的形成及其特点  20-21
  2.2 风荷载数值模拟方法  21-24
  2.3 算例分析  24-32
    2.3.1 模拟方法的选择  25-26
    2.3.2 模拟参数的确定  26-27
    2.3.3 模拟点的选取  27
    2.3.4 脉动风速的模拟  27-30
    2.3.5 瞬时风荷载的模拟  30-32
  2.4 本章小结  32-33
3 集热器组合支架的固有特性及风振响应分析  33-44
  3.1 概述  33
  3.2 结构有限元模型的建立  33-36
    3.2.1 支架有限元模型角度的选取  33
    3.2.2 不同角度有限元模型的建立  33-36
  3.3 不同角度有限元模型的模态分析  36-40
  3.4 集热器支架风振响应分析  40-43
  3.5 本章小结  43-44
4 抛物面板的绕流分析  44-60
  4.1 结构的风绕流效应  44-48
  4.2 CFD 数值解法  48-50
    4.2.1 计算流体力学基础  48
    4.2.2 计算流体力学步骤  48-49
    4.2.3 CFD 软件的基本模型  49-50
  4.3 抛物面板绕流的数值计算  50-58
    4.3.1 计算域的确定  51
    4.3.2 网格的划分  51-52
    4.3.3 ANSYS—FLUENT 中的参数设置  52-53
    4.3.4 仿真计算结果  53-58
  4.4 本章小结  58-60
结论  60-62
参考文献  62-67
在学期间研究成果  67-68
致谢  68

50MW级槽式太阳能集热器支架在风荷载下的动态性能研究

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