大功率碟式太阳能热发电系统风载力学特性分析

【摘要】：本文研究的25KW大型碟式太阳能热发电系统具有空间尺寸大（直径≧13m、高≧18m）、自重大（15-20t）、抗风载要求高（8级风下正常运行、12级风下不发生破坏）等特点，强风作用下的结构大变形和异常振动会严重影响到系统的聚焦精度和安全运行，因此对碟式太阳能热发电系统进行极限风载荷作用下的结构静、动力学特性分析，是确保太阳能电站高效、可靠、稳定运行的关键。 本文首先对结构风载荷的基本特性进了分析，介绍了风载荷数值模拟的两种方法，并采用谐波叠加法模拟生成了脉动风速时程。运行计算流体动力学（CFD）的分析方法，对碟式太阳能热发电系统在正常工作时受主要风载荷作用的聚光器网架进行了数值风洞模拟研究，得到了聚光器网架在各种典型工况时的表面风压系数分布以及分区体型系数，为本文后续的结构力学特性分析计算提供了重要的数据来源。 其次，在ANSYS有限元软件中建立了碟式太阳能热发电系统在四种典型工况位置时的结构有限元模型，利用数值风洞模拟得出的聚光器表面分区体型系数，对系统在不同风向角时12级风作用下的结构强度及受力特点进行了分析，并依据强度分析结果提出了系统工作时的最不利受风工况及最优避风工况。 最后，基于模拟生成的脉动风速时程，结合风振响应分析方法，对碟式太阳能热发电系统进行了风振响应时程分析，得到了在不同工况下结构关键节点的位移响应及位移风振系数，揭示了结构在极限风载荷作用下的动力特性，并分析了结构刚度的改变对于整体位移风振系数的影响。 本文对碟式太阳能热发电系统在风载荷作用下的力学特性综合分析，能为结构的抗风设计研究提供一定的依据，也能为后续开展碟式太阳能系统结构优化分析和振动控制研究提供重要的理论和实践基础。 【关键词】：碟式太阳能热发电系统 风载力学特性 数值模拟 强度分析 风致响应 风振系数
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 相关研究现状12-15
• 1.2.1 结构风工程介绍12-13
• 1.2.2 碟式太阳能热发电系统风载荷研究现状13-15
• 1.2.3 碟式太阳能热发电系统风致振动响应研究现状15
• 1.3 论文主要研究内容15-16
• 1.3.1 课题来源15-16
• 1.3.2 研究内容16
• 1.4 论文篇章安排16-18
• 第二章 风载荷的基本特性及其数值模拟18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 风的基本特性18-22
• 2.2.1 平均风特性18-20
• 2.2.2 脉动风特性20-22
• 2.3 结构风载荷作用22-23
• 2.3.1 风速与风压的关系22-23
• 2.3.2 结构风载荷计算公式23
• 2.4 风载荷的数值模拟23-26
• 2.4.1 线性滤波法23-25
• 2.4.2 谐波叠加法25-26
• 2.5 本章小结26-28
• 第三章 碟式太阳能聚光器风场数值模拟28-47
• 3.1 引言28
• 3.2 流体力学基本方程28-29
• 3.2.1 质量守恒方程28-29
• 3.2.2 动量守恒方程29
• 3.3 湍流的数值模拟29-32
• 3.3.1 湍流数值模拟方法30-31
• 3.3.2 湍流模型31-32
• 3.4 聚光器计算域模型32-36
• 3.4.1 聚光器几何模型32-33
• 3.4.2 计算域模型建立33-34
• 3.4.3 网格设置34-35
• 3.4.4 边界条件的确定35-36
• 3.5 数值模拟结果分析36-46
• 3.5.1 表面风压系数分布37-42
• 3.5.2 流场特性42-43
• 3.5.3 聚光器表面分区体型系数43-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第四章 碟式太阳能热发电系统强度分析47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 有限元分析理论基础47-49
• 4.2.1 有限元方法及应用47-48
• 4.2.2 ANSYS 软件概述48
• 4.2.3 结构强度分析理论基础48-49
• 4.3 碟式太阳能热发电系统的结构组成49-50
• 4.4 有限元模型的建立50-53
• 4.4.1 有限元建模方法的选择及模型简化51
• 4.4.2 有限元模型的单元选择及网格划分51-53
• 4.5 极限风载荷下结构强度分析53-57
• 4.5.1 载荷分析53-54
• 4.5.2 90°风向角下结构强度分析54-56
• 4.5.3 90°风向角下结构强度分析56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 碟式太阳能热发电系统风振响应分析58-69
• 5.1 引言58
• 5.2 风振响应分析方法58-59
• 5.2.1 风振响应分析方法选择58-59
• 5.2.2 风载荷时程59
• 5.3 自振特性分析59-62
• 5.3.1 模态分析基础60
• 5.3.2 模态分析结果60-62
• 5.4 风振响应时程分析62-67
• 5.4.1 风振响应求解62-63
• 5.4.2 响应结果统计分析63-66
• 5.4.3 响应数据时程分析66-67
• 5.5 结构刚度对风振系数的影响67-68
• 5.6 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 全文总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 附录 A：攻读学位期间的研究成果75
• 一、发表的论文75
• 二、参与的科研项目75

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