熔盐集热塔风致响应研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:江苏省自然科学基金()通讯作者:冯君男博士副研究员主要研究方向:特种结构:.引文格式:孙巍巍汪珍萍冯君等.熔盐集热塔风致响应研究.南京理工大学学报():.投稿网址:/.熔盐集热塔风致响应研究孙巍巍汪珍萍冯 君顾文涛(.南京理工大学 理学院江苏 南京.新疆大学 建筑工程学院新疆 乌鲁木齐.南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室江苏 南京.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司江苏 南京)摘 要:为研究熔盐集热塔风荷载作用下的结构响应基于计算流体动力学()技术建立了熔盐集热塔结构数值风洞开展了单向和双向流固耦合分析 通过风场计
2、算域尺寸、湍流模型及初始风速条件的合理设置获得了风场速度、风场压力和集热塔响应分布规律 集热塔在风荷载作用下以第一振型为主 集热塔位移、速度和加速度前期变化幅度较大后期呈现稳定衰减趋势 顺风向基底剪力是结构总剪力的主导部分 分析结果可以为集热塔的设计和相关研究提供依据关键词:熔盐集热塔风荷载流固耦合数值模拟流场仿真中图分类号:.文章编号:():./.(.):().总第 期孙巍巍 汪珍萍 冯 君 顾文涛 熔盐集热塔风致响应研究 .:熔盐塔式太阳能光热发电系统以其集热效率高热功转换效率高系统综合效率高成本降低空间大合适大规模应用等优点成为光热产业未来大规模应用的主要方向 集热塔是塔式发电系统的核心
3、构筑物之一其主要由塔体与塔顶部的集热器构成 为保持电力输出更高效稳定定日镜的数量越来越多分布面积越来越大这也使得集热塔越来越高 因集热塔顶部存在质量巨大的集热器风荷载对熔盐集热塔结构的动力作用是不容轻视的重要问题对这一结构的风荷载研究迫在眉睫结构风工程现行的研究方法主要分为:理论分析、现场实测、风洞试验以及数值模拟每种方法都有其适用范围以及优缺点 由于风洞试验的复杂性及条件的局限性目前针对集热塔的风洞试验非常罕见 等设计制作了 高的集热塔缩尺弹性模型并对其进行了一系列风洞试验 孙一飞等建立了大长细比超高烟囱刚性模型并完成了风洞测压试验 数值风洞方法相较于实际风洞试验具有构建原型尺寸、模拟真实风
4、环境的能力这种按照实际风环境对结构进行仿真和模拟的方法大大弥补了实际风洞试验缩尺实验造成的不足同时相较实际风洞试验更有周期短、费用低以及后处理功能强大的特点 宋波等利用 软件对某吸收塔结构进行数值风洞模拟 王昊等基于计算流 体 动 力 学()技术对某典型带凹角矩形截面高层建筑在群塔干扰作用下的平均风荷载进行了模拟流固耦合是流体力学与固体力学交叉生成的独立力学分支它主要的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场的影响 从数据传递角度来讲流固耦合数值模拟主要分为单向流固耦合与双向流固耦合 集热塔在强风中的静态结构分析属于单向流固耦合分析在考虑塔在强风中的振动情况时就需要对其采用双向流
5、固耦合分析 为掌握集热塔风荷载的特点及变化规律本文利用 数值模拟软件 对集热塔开展单向及双向流固耦合分析为实际工程中集热塔类结构工程设计与应用提供参考 熔盐集热塔工程概况中国能源建设集团某熔盐集热塔结构由 高外径 的混凝土筒体与 高直径 的集热器组成 集热器重 固定在混凝土筒体顶部 混凝土筒体包括了 和 两个混凝土等级由下到上采用了分段变厚度的截面形式主要参数见表 这一原型结构所在地为沙漠地区即地面粗糙度为 类基本风压为./表 熔盐集热塔主要参数截面高度/筒壁厚度/混凝土等级.).).).).集热塔结构数值风洞的建立本文通过对英联邦航空咨询委员会()标准高层模型开展模拟并与试验结果对比最终确定
6、了集热塔研究时采用的计算域大小、单元类型以及 湍流模型 整个模型验证过程与文献类似不再赘述.风场计算域为排除阻塞效应对模拟结果的影响根据文献建议需保证模型计算域的设置阻塞率不南京理工大学学报第 卷第 期大于 本文采用的计算域尺寸为 (长 轴)(宽 轴)(高 轴)阻塞率为.为使湍流充分发展不发生尾流回流导致模拟结果发散集热塔底部圆心(坐标原点)距出口 计算域划分网格的类型及其精度对模拟结果的影响较大通过对六面体网格和四面体网格对比分析发现四面体网格更适合用于具有圆柱体外形的集热塔结构 图 为熔盐集热塔计算域网格图图 计算域网格.边界条件的设置距离集热塔较近流场入口设置为速度入口()入口风速采用建
7、筑结构荷载规范()建议的指数律风速剖面公式具体如下()式中:为参考高度等于 为参考高度()处的风速取./为计算高度为计算高度处的风速 为地面粗糙度指数取.距离集热塔较远流场出口设置为压力出口()为保证计算贴近实际、不产生不必要的壁面效应:计算域顶部与两侧面应均设置为对称边界()对称边界法向速度为零法向梯度为零可保证其边界条件的存在不会干扰构筑物附近的压力速度场流场底部即地面设置为无滑移壁面()单向流固耦合时流场与集热塔的交界面设置为无滑移壁面()双向流固耦合时力与位移的传递是相互的因而流场与集热塔的交界面设置为流固耦合面().湍流模型参考众多研究人员对于高层建筑风荷载 数值仿真的研究成果 集热
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