50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟

50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟

发表时间：2018-12-17T15:33:45.567Z 来源：《防护工程》2018年第23期作者：杨施敏

[导读] 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

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：

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