基于槽式太陽能聚光器結構的流固耦合分析

林 紅，肖 洪，朱天宇，王 磊

（1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州213022；2.南通河海大學海洋與近海工程研究院，江蘇 南通226019）

0 引言

槽式太陽能聚光器通過對太陽光的聚焦，加熱集熱器內的工質，為電站的蒸汽產生系統提供高溫熱源或直接將高溫蒸汽提供給汽輪機［1］。因此，聚光器是太陽能熱發電系統的核心部件，它的性能的好壞會顯著影響太陽能熱發電系統的總體性能［2］。

槽式太陽能聚光器始終工作在露天的環境中，不可避免地會受到環境的影響，尤其是風載荷。重慶大學機械傳動國家重點實驗室的胡搖等人，采用計算流體力學（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、不同風速、不同反光鏡間縫隙下對風載荷的影響［3］。重慶大學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來模擬風場，然后將得到的最大面載荷施加在鏡面上，應用ABAQUS軟件對槽式太陽能聚光器的結構進行有限元分析［4］。河海大學的劉英玉等人通過風速與風壓的換算關系，將換算的風壓施加到鏡面上，采用ANSYS軟件對槽式太陽能聚光器結構進行分析［5］。這些方法沒有將流場和結構的計算結合起來進行分析。隨著計算機技術的發展以及現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構的計算結合起來，使得槽式太陽能聚光器的流固耦合技術得以實現［6］。因此，有必要對槽式太陽能聚光器進行流固耦合分析。

1 流固耦合理論

1.1 流體控制方程

流體流動必須遵循基本的物理守恒定律，其中包括質量守恒定律、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。

1.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程由牛頓第二定律導出：

ρs為固體密度；ds為固體域當地加速度矢量；σs為柯西應力張量；fs為體積力矢量。

1.3 流固耦合方程

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，應滿足流體與固體應力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

2 流場分析

2.1 建立有限元模型

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

2.2 流場的建立與設置

流場數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格劃分時，會產生大量的網格單元，增加計算量；流體模型變得復雜，網格劃分質量降低，影響分析結果的精度；支架部分受到風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。

將流體模型導入ANSYS Workbench下的Fluent中進行數值模擬，進行湍流方程設置，選擇Viscou－Stannard中的標準k－epslion模型；流動介質為空氣，假設空氣為不可壓縮流體；入口采用速度邊界條件，風的方向與X軸平行，設置額定速度為六、七、八級風的最大風速［8］；出口使用壓力邊界條件，壓力設為0；利用Simple算法及定常穩態求解器進行求解。

3 聚光器的結構分析

3.1 結構分析前處理

槽式太陽能聚光器支撐結構的材料為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，該理論認為最大拉應力是引起斷裂的主要因素。即認為無論是什么應力狀態，只要最大拉應力達到某一極限值，材料就發生斷裂［9］。由于失效的原因與應力狀態無關，也就是最大拉應力的極限值與應力狀態無關。因此，要設置浮法白玻的拉應力極限值（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的轉動。盡管聚光器跟隨太陽轉動，但它的轉動是間歇性的、緩慢的，分析時將整個聚光器結構視為剛連接。

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據并作用在反光鏡的表面。圖3所示為導入的反光鏡壓力圖（工作角度為60°）。

圖3 反光鏡壓力（60°）

3.2 計算結果及分析

以八級風作用、工作角度為60°的結果為例進行結果分析。聚光器結構的變形、應力、最大拉伸應力安全系數結果如圖4～6所示。

圖4 聚光器整體變形

圖5 聚光器的應力分布

圖6 聚光器的拉應力安全系數

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，應力較大的部分出現在矩形框架的兩端，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力安全系數較小，最小值為2.469。通過以上結果分析，聚光器結構設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、八級風作用下的最大變形、最大應力、最小安全系數如圖7所示。

圖7 聚光器的分析結果

由于位置的對稱性，0°與180°可認為是二者中的任意一個角度在正反兩個方向風載荷作用下的效果，其他相應角度也具有類似的特點。故由圖7可以得出以下結論。

a.在六、七、八風作用下，明顯看出八級風對聚光器結構特性的影響最大。并且八級風作用下，聚光器結構設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，變形和應力都最大；工作角度為0°時，變形和應力都最小。

c.聚光器在工作角度為90°時，最大拉應力的最小安全系數最大，反光鏡最不易出現拉應力失效；工作角度為0°時，最小安全系數最小，反光鏡最容易出現拉應力破壞。

d.考慮到聚光器在非工作時間的停放位置，經過綜合分析，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生斷裂失效，聚光器的整體變形和應力也比較小。

4 結束語

利用ANSYS Workbench軟件對槽式太陽能聚光器結構進行流固耦合分析，最終得到聚光器結構的變形、應力和拉應力安全系數等數據。該分析方法與其他的方法相比，較為準確地反應聚光器的受力情況，簡單方便，用時大大縮短，同時為聚光器結構的優化設計提供數值依據。

［1］ 熊亞選，Modibo Kane Traore，吳玉庭，等.槽式太陽能聚光集熱技術［J］.太陽能，2009，（6）：21－26.

［2］ 杜鳳麗.太陽能熱發電發展現狀及趨勢［J］.新材料產業，2012，（7）：5－11.

［3］ 胡 搖，陳小安，吳國洋，等.槽式太陽能聚熱器風載荷數值模擬研究［J］.綠色科技，2012，（6）：265－270.

［4］ 孔祥兵，陳小安，吳國洋，等.槽式太陽能聚光器支架結構的拓撲優化設計［J］.現代制造工程，2013，（2）：121－126.

［5］ 劉英玉，肖 洪，鄭方輝，等.基于ANSYS的槽式太陽能聚光器支架結構分析［J］.機械與電子，2013，（9）：37－40.

［6］ 鄭 軍，楊昌明，朱 利，等.離心泵葉輪流固耦合分析［J］.流體機械，2013，41（2）：25－29.

［7］ 宋學官，蔡 林，張 華.ANSYS流固耦合分析與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［8］ 張相庭.結構風壓和風振計算［M］.上海：同濟大學出版社，1985.

［9］ 周建方.材料力學［M］.北京：機械工業出版社，2002.