有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析

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1、第32卷第11期农业工程学报Vol.32No.11982016年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJun.2016有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析1,21※姬忠涛，田德（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京102206；2.曲靖师范学院物理与电子工程学院，曲靖655011）摘要：用于制造浓缩风能装置的材料直接影响浓缩风能型风力发电机的推广及应用。该文通过流固耦合分析方法，对有机玻璃用于制造浓缩风能装置的可能性进行分析。采用计算流体力学（computationalfluiddynamics

2、，CFD）软件对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟，得到了不同温度下浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将不同温度下的流场计算风压分布结果作为载荷加载到对应温度下的浓缩风能装置上，得到该装置在不同温度下所受最大应力。这些不同温度下的最大应力均远小于有机玻璃在对应温度下的断裂应力，如温度为293.15K时该装置所受最大应力为1.5378MPa，而该温度下有机玻璃的断裂应力为71.704MPa，因此有机玻璃在强度上满足浓缩风能装置要求，可以用于制造浓缩风能装置。当选择泊松比、杨氏模量和断裂应力均随温度发生变化的材料作为流体机械备选材料时，该研究过程可以为其可行性研究提供参考。关键词：风能；模

3、型；流场；材料；浓缩风能装置；流固耦合；有限元；有机玻璃doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.11.014中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1002-6819(2016)-11-0098-05姬忠涛，田德.有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析[J].农业工程学报，2016，32(11)：98－102.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.11.014http://www.tcsae.orgJiZhongtao,TianDe.Fluid-solidcouplinganalysisofwind-energyconcent

4、rationdeviceswithorganicglass[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2016,32(11):98－102.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.11.014http://www.tcsae.org杨氏模量和断裂应力均随温度发生变化的材料作为流体0引言机械备选材料时，该研究过程亦可以为其可行性研究提与其他新能源相比，风能对环境的污染小，是非常清供参

5、考。洁的可再生能源，并且风能资源分布非常广泛，因此风能[1]1试验材料成为国际上竞相开发的能源项目。但风能不稳定且能流密[2-5]度低，这为其开发用带来了一定困难。为使该问题得到有机玻璃，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲[6-12]解决，科研人员设计制造出了浓缩风能型风力发电机，基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物，其表面光滑，密度[13-15]并通过风洞试验对其性能加以研究。结果显示，其核小，机械强度较高，尺寸稳定，易于成型，有一定的耐心部件浓缩风能装置可以使风能的能流密度得到提高，使热耐寒性，耐腐蚀，耐湿，耐晒，隔声性能好；其耐候风轮所处流场得到改善；同时可以提高风轮和发电机的使性好，可保长

6、久不褪色，并且不会自燃并具自熄性；其用时间，并使整个机组的寿命得到延长。耐冲击性较好，为普通玻璃产品的200倍以上，几乎没浓缩风能装置分为收缩管、平行管和扩散管3部分，有任何断裂的危险。此外，有机玻璃的色彩多种多样，目前多由冷轧钢板制成，成本高，密度大，安装于高处视觉冲击力很强。在本文中将进行用PMMA制造浓缩风较为笨重且不安全，因此需要对其进行选材优化设计。能装置的可行性研究。在本文中对浓缩风能装置进行流固耦合分析，得出2流固耦合分析了采用有机玻璃（polymethylmethacrylate，PMMA）制造的浓缩风能装置在风中的变形和应力分布；当泊松比、2.1建立模型图1a所示为浓缩风能

7、装置模型，其通过CAD软件按照模型设计尺寸建立。收稿日期：2015-12-05修订日期：2016-03-23文献[16-17]先采用计算流体动力学（computational基金项目：国家自然科学基金资助项目（59776033）作者简介：姬忠涛，男，河南新乡人，博士研究生，研究方向为清洁能源与fluiddynamics，CFD）软件进行计算，然后进行风洞试验，可再生能源。北京新能源电力系统国家重点实验室（华北