下击暴流作用下定日镜表面风压数值模拟

姜 峰 ，吉柏锋

(武汉理工大学a.土木工程与建筑学院;b.道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

0 前 言

在化石燃料日益减少的背景下，太阳能逐渐成为人类主要能源的重要组成部分，开发利用太阳能对于解决环境污染问题和世界能源紧张具有重大意义[1]。太阳能热发电主要有塔式、蝶式、槽式三种，在大规模发电方面，塔式太阳能发电是所有太阳能发电技术中成本最低的一种方式[2]。定日镜结构由于厚度薄、柔性大、质量轻、风敏感性强，所以定日镜抗风问题就一直是设计中的难点。而且定日镜一般布置于开阔的场地，受到风力作用影响很大，如果处于强风作用下，那么定日镜的工作状态极易受到影响，甚至破坏。本文利用数值模拟方法，研究下击暴流作用下三种工况的定日镜表面的风压分布特性。

1 数值模型

1.1 定日镜模型

根据Wu Z Y等[3]对镜面板不同间隙宽度的影响研究，得知镜面板间隙对定日镜的静力风荷载影响非常小。因此，本文采用长宽均为10.28 m的整块面板模型，定日镜与水平地面的夹角记为β。

1.2 下击暴流风场模型

下击暴流计算域见图1。

图1 下击暴流计算域

由于下击暴流模型尺寸巨大并且具有轴对称特性，所以采用冲击射流模型的1/4区域，设定初始出流直径Djet=600 m，计算入口位置到地面的距离为H= 4Djet。

1.3 下击暴流边界条件

下击暴流风场初始出流速度Vjet=18 m/s,湍流强度为1%，边界条件设置如表1所示。

表1 边界条件

1.4 计算设置

本文采用 Realizablek-ε模型对下击暴流风场加入定日镜后的计算域模拟计算。采用 SIMPLEC 压力-速度耦合方式，离散采用二阶迎风格式。在距离镜子四周边缘4 m位置处设置五个速度监测点，当各个监测点速度稳定不再随迭代次数增加而变化时，则可认为计算结果收敛。

2 定日境迎风面风压分布特性

(a) β=30°

由图2可以看出，除极小面积的负压区域分布在镜子上边缘，迎风面均以正压分布为主，压力关于镜子垂直中轴线对称分布，并且压力从镜子下边缘垂直向上逐渐减小。随着定日镜仰角的增大，正压峰值略有增加，高压区域面积也在快速增加，而且高压区域由镜子下沿向镜子中上部快速扩张，这是由于下击暴流的风剖面明显区分常规风的风剖面造成的，传统大气层边界层近地面风的风速随高度增大而增大，但下击暴流在近地面区域风速随高度增大而迅速增大到最大值，之后随高度增大而迅速减小。下击暴流作为一种近地面短时强风，在贴近地面水平运动时，风速远大于常规风。直至β=90°时，下击暴流风场中定日境迎风面中心位置处风压最高，呈辐射状向四周逐渐减小，等压线大体为正方形。

3 结 论

本文研究下击暴流强风作用下太阳能定日镜表面风压的分布特性，通过建立下击暴流和定日镜的数值模型，对三种仰角的定日镜进行数值模拟计算，获得三种工况下定日镜迎风面的风压分布图，结论如下。

1)除极小面积的负压区域分布在镜子上边缘，迎风面均以正压分布为主，压力关于镜子垂直中轴线左右对称分布，并且压力从镜子下边缘垂直向上逐渐减小。

2)随着定日镜仰角的增大，正压峰值略有增加，高压区域面积也在快速增加，而且高压区域由镜子下沿向镜子中上部快速扩张，这是由于下击暴流的风剖面明显区分常规风的风剖面造成的，传统大气层边界层近地面风的风速随高度增大而增大，但是下击暴流在近地面区域风速随高度增大而快速增大到最大值，之后随高度增大而快速减小，下击暴流作为一种近地面短时强风，在贴近地面水平运动时，风速远大于常规风。

3)仰角为90°时，下击暴流风场中定日境迎风面中心位置处风压最高，呈辐射状向四周逐渐减小，等压线大体为正方形。

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