50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟论文_杨施敏

上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434

摘要:在本论文中,建立了50kW太阳能烟囱电站的物理模型,对烟囱和集热棚、蓄热层相接的弧段部分,即喇叭管和导流锥部分进行几何设计,改善了整个流场的分布情况。利用MATLAB编程,获得集热棚和蓄热层的温度分布情况,作为FLUENTF的边界条件,再利用FLUENT进行数值求解,解收敛后得到涡轮机周围流场分布。最后对模拟结果进行了验证,证明了设计和模拟方法的合理性。

在已完成设计的烟囱电站数值模拟情况下,针对同一翼型,同一转速,不同叶片数目的涡轮机进行数值模拟,比较不同叶片数目的涡轮机性能,并分析产生这些差异的主要因素,获得最佳叶片数。

关键词:太阳能热气流发电涡轮机数值模拟

一、基本原理

太阳能烟囱热气流动力发电的实际工程技术概念,最早是由两位德国工程师Schlaich和Bergermann于1976年提出的。根据热压差效应,利用热烟囱中向上抽吸流动的热气流驱动风轮机做功,早在20世纪以前就有这样的设想。由于现代技术和材料科学的发展,可以实际建造高大的热烟囱,使得太阳能烟囱热气流动力发电在技术上变得可行。

CFD方法是计算流体力学(ComputationalfluidDynamics)的简称,通过计算和图像显示的方法,在时间和空间角度上定量描述流畅的数值解,从而达到对物理问题研究的目的。

通过这种数值模拟,可以得到极其复杂的问题中流场内不同位置上的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布,以及物理量随时间的变化情况,确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。

二、太阳能热气流发电系统的热力学分析

太阳能热气流(烟囱)发电的基本热力学过程:靠近地面的空气流过集热棚,吸收太阳辐射能变成具有温升和动能的热气流;热气流在涡轮机流道里膨胀做功推动涡轮发电机组发电;不断上升的热气流在烟囱里持续膨胀,然后排到高空环境;排出的空气还有剩余的速度和温度,在大气环境中继续释放能量,再和高空环境相平衡;最后经可逆绝热过程回到地面呈空气状态,这样就完成了整个热力循环。这是一个复杂的开式热力体系,和常规热力循环系统相比,这个系统与环境之间有大尺度的接触,变化的大气环境和地面环境会对热力循环产生一定的影响,热气流作为系统转换能量的介质,在这个大系统内的流动比较复杂,其流动的状况和热力过程都会影响到太阳能的利用效率。

如图2-1所示是太阳能热气流发电系统的热力过程示意图。整个环境和系统形成了一个大循环。为了便于分析,将系统分为集热棚、涡轮机和烟囱三大区域。

分析各个区域的热力学过程时,作如下假定:(1)太阳辐射恒定,且不考虑太阳高度角的变化;(2)大气温度即进入集热棚的空气温度保持恒定;(3)空气集热棚的光学性质保持不变;(4)系统是一个稳定流动过程;(5)分析系统热力过程及热力循环时,将从烟囱出来的工质视为集热棚入口进去的那部分工质,这样既不会影响热力过程的分析结果,也会简化分析过程。

工质在各区域进出口的关键状态点如下:1为集热棚入口状态,2为集热棚出口状态,3为烟囱入口状态,4为烟囱出口状态,5为与烟囱出口相同高度处的外部大气环境状态。

图4-1相同转速下不同叶片数目涡轮机出口的速度分布图

从相同工况下的涡轮机出口的速度分布图来看,4叶片相对5叶片来说,比较适合太阳能热气流发电系统,但也要考虑涡轮机输出轴功率和效率性能,这还需要进一步的实验论证和比较。

五 结论与展望

本论文主要完成的是50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟。首先参照西班牙太阳能热气流发电系统,确定整个太阳能烟囱电站的基本结构,对烟囱和集热棚、蓄热层相接的弧段部分,即喇叭管和导流锥部分进行几何设计,改善了整个流场的分布情况。利用MATLAB软件,获得集热棚和蓄热层的温度分布情况,作为FLUENT的边界条件,再利用FLUENT进行数值求解,解收敛后得到涡轮机周围流场分布。最后对模拟结果进行了验证,证明了设计和模拟方法的合理性。在已完成设计的烟囱电站数值模拟情况下,针对同一翼型,同一转速,不同叶片数目的涡轮机进行数值模拟,比较不同叶片数目的涡轮机性能,得出结论:在50kW涡轮机的研究中,4叶片和5叶片的涡轮机比较合适。

参考文献:

[1]黄素逸,黄树红,等.太阳能热发电原理及技术[J].中国电力出版社,2012.

[2]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[J].西北工业大学出版社,2004.3.

[3]范振河.太阳能烟囱发电系统的CFD模拟与优化.山东大学硕士学位论文,2007.

[4]刘鉴民.太阳能热动力发电技术[J].化学工业出版社,2012.9.

[5]赵振宙.风力机原理与应用[J].水利水电出版社第一版,2011

[6]王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用.清华大学出版社,2004

[7]明廷臻,刘伟,许国良等.太阳能热气流电站系统研究.工程热物理学报.2006.27(3):505-507.

论文作者:杨施敏

论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期

论文发表时间:2018/12/17

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50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟论文_杨施敏
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