碟式太阳能聚光器结构分析与风载荷数值模拟

发布时间：2020-04-12 11:25

【摘要】：碟式太阳能聚光器是一种非流线型结构的碟状板,它有较大的空间尺寸和迎风面积,对风载荷极为敏感,且其结构多种多样,但都存在明显不足,如聚光器结构刚度和抗风载荷强度不足。碟式太阳能热发电系统大都在露天环境中运行,风载荷可能导致聚光器变形或产生异常振动。聚光器在工作过程中,如果激振频率与其自然频率接近时,系统便会出现共振现象,造成结构破坏;当风载荷过大时,聚光器结构会产生位移变形,严重的风致响应还会对聚光器镜面造成挤压破坏。为了避免聚光器在风载荷作用下发生共振与破坏,本文对聚光器进行了振动特性分析和风载荷分析。本文首先以25KW碟式太阳能热发电系统的聚光器为研究对象,在已知参数的基础上,利用ANSYS软件建立聚光器结构的三维模型,然后详细讨论了聚光器结构中单元类型的选取,网格的划分原则以及对模型的合理简化,用梁单元、实体单元和壳单元,建立了供有限元分析计算的碟式太阳能聚光器有限元模型。其次,对碟式太阳能聚光器的振动特性进行分析。为了避免碟式太阳能聚光器在风载荷作用下发生共振,需研究其振动特性,并通过结构改进以提高聚光器结构的刚度。对碟式太阳能聚光器进行模态分析,得到聚光器前十阶自然频率和固有振型,根据模态分析结果,针对聚光器振动特性和危险区域,对聚光器结构提出改进方案,并对改进后的聚光器结构进行模态分析,改善聚光器的结构刚度和振动特性,确保碟式太阳能聚光器在风载荷作用下不会发生共振。再者,研究风载荷作用下的碟式太阳能聚光器流场特性和表面风压分布。运用Gambit软件建立聚光器计算域模型,利用连续方程和动量方程对流体流动进行理论分析,并采用Fluent软件对碟式太阳能聚光器计算域进行风载荷数值仿真计算,分析不同高度角和方位角下聚光器的流场特性及表面风压分布。该仿真结果不仅为之后的单向流固耦合强度分析奠定基础,而且为碟式太阳能聚光器的抗风设计提供可靠的理论依据。最后,利用ANSYS软件并结合改进后的聚光器结构和风压分析结果,对不同高度角和方位角下的碟式太阳能聚光器进行了风载荷静力分析,将Fluent软件计算得到的不同高度角和方位角下的聚光器表面风压直接导入到ANSYS软件,然后对其进行单向流固耦合静强度分析,得到聚光器在风载荷作用下不同工况的位移变形和应力分布,确定最危险区域和最优避风姿势。本文利用ANSYS软件和Fluent软件对碟式太阳能聚光器结构进行模态分析、流场分析和单向流固耦合静力分析,对结构振动特性、流场特性和抗风载荷强度进行分析,充分认识振动特性、流场特性和抗风载荷强度特性,防止聚光器发生共振,确定聚光器最优避风工况和最差避风工况,确定风载荷作用下聚光器危险区域和薄弱点,了解聚光器网架结构可能会有的应力和变形情况,不仅为碟式太阳能聚光器的抗风设计提供参考,而且也为后续开展碟式太阳能聚光器的优化提供重要的理论依据。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK513.1

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本文编号：2624663