塔式CSP电站熔盐上升管几何构型的水力—结构协同响应与参数优选研究

《Energies》：Effect of Geometric Configurations of Molten-Salt Risers on Its Hydraulic and Structural Behavior in Tower-Based Concentrated Solar Power Station

　　

几何构型会影响塔式聚光太阳能发电（concentrated solar power, CSP）电站中熔盐上升管的水力性能、结构响应和材料需求。然而，主要几何参数对完整上升管系统水力与结构响应的影响尚未得到充分阐明。本研究在固定总高度和横向空间约束下建立了全尺寸熔盐上升管模型。采用单因素参数化设计生成13种构型，并采用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）和结构有限元（finite-element analysis, FEA）模拟研究倾斜段长径比L_s/D_i、弯头曲率比R/D_i和倾斜段角度θ的影响。结果表明，增大L_s/D_i会提高系统总阻力系数（overall system resistance coefficient, K_sys），但在组合载荷工况（combined load case）下可使最大von Mises等效应力（maximum von Mises equivalent stress）最高降低17.12%。增大R/D_i会降低K_sys和组合载荷工况最大应力，而最大总变形（maximum total deformation）和管材质量（pipe mass）仅略有变化。增大θ会提高K_sys并降低组合载荷工况最大总变形，而组合载荷工况最大应力呈非单调变化，并在θ=75°时达到最小值194.95 MPa。上述结果阐明了三种几何参数各自对应的水力与结构响应趋势。在研究所涉构型中，45°构型在水力性能、结构响应和管材用量之间表现出一定协调性。研究结果为塔式CSP电站熔盐上升管的构型设计与参数选择提供了数值依据。

塔式聚光太阳能发电（concentrated solar power, CSP）电站中，熔盐上升管承担地面系统与塔顶吸热器之间的高温熔盐输送功能，具有大高差、高温运行和空间受限等特点，通常由垂直段、倾斜段和多个弯头组成。已有弯头水力研究多以常规工质或直管熔盐流动为对象，针对熔盐弯头、多弯头上升管的局部阻力、系统总阻力和下游流场研究仍有限；结构研究多集中于单个弯头或特定高温管道，缺乏全尺寸模型下几何参数对阻力、应力、变形和管材用量进行统一比较的工作。基于CFD壁压场传递的单向流固耦合方法虽已用于其他管道问题，但在塔式CSP熔盐上升管几何构型分析中的应用仍有限，因此研究人员开展了全尺寸数值研究。

研究人员在固定总高度和横向空间约束下建立全尺寸熔盐上升管模型，选取L_s/D_i、R/D_i和θ为几何变量，采用单因素法生成13种构型，通过CFD与结构FEA联合分析获取系统阻力、流场、壁压场、应力、变形和管材质量，并比较参数—响应关系。研究得出，三种几何参数对水力性能、结构响应和管材用量的影响并不一致；在所研究构型中，45°构型在水力性能、结构响应和管材用量之间表现出一定协调性。该结果为熔盐上升管构型设计与参数选择提供了数值依据，但结论受稳态、均匀温度、线弹性及简化支撑等模型假设限制。

关键技术方法概括如下：研究人员在固定总高165 m和横向空间约束下建立全尺寸熔盐上升管模型，以L_s/D_i、R/D_i、θ为变量，用单因素法生成13种构型。CFD采用ANSYS Fluent 15.0稳态等温RANS与realizable k–ε模型，工质为60 wt.% NaNO₃+40 wt.% KNO₃，295°C，质量流量798.889 kg·s^?1，出口压力3.7 MPa；结构FEA采用ANSYS Mechanical和SA-106 Gr. B碳钢线弹性模型，热膨胀参考22°C、工作295°C，简化支撑含摩擦0.30与弹簧275 N·mm^?1，将CFD壁压场单向映射，设置非热、热膨胀和组合三工况；并完成网格无关性与CFD基准验证。参数来源于参考塔式CSP电站工程设计数据，无样本队列。

研究结果中，3.1 Effect of Equivalent Inclined-Segment Length（等效倾斜段长度的影响）表明，随着L_s/D_i由10.695增至26.471，K_sys由6.923持续增至7.707且增量递减；组合载荷工况最大von Mises等效应力σ_comb和最大总变形U_comb分别由237.62 MPa、175.34 mm降至173.06 MPa、109.17 mm，热膨胀工况的σ_T、U_T降幅更大，而非热工况σ_NT、U_NT升高；热膨胀与非热工况最大应力曲线在L_s/D_i=22.727与26.471之间相交，说明主导应力贡献发生转变。3.2 Effect of Elbow Curvature Ratio（弯头曲率比的影响）表明，R/D_i由1.50增至3.25时，K_sys由7.525降至7.170，总体降低4.71%；三种工况最大应力均下降，σ_T、σ_NT和σ_comb分别约降低23.27%、15.17%和9.51%；U_comb和U_T仅分别增加1.14%和1.32%，总体变形主要受热膨胀控制。3.3 Effect of Inclined-Pipe Angle（倾斜管角度的影响）表明，θ由30°增至90°时，K_sys由6.522升至8.765，总体增加约34.40%；弯头下游速度和湍动能分布随θ改变，θ增大强化流动偏转和湍流耗散；σ_comb由30°的240.15 MPa降至75°的194.95 MPa，再于90°略升至196.26 MPa，U_comb由192.13 mm降至102.37 mm；σ_NT升高而σ_T降低，两曲线在60°与75°之间相交，最大应力位置亦随θ改变。3.4.1 Correlations Between Hydraulic and Combined-Load Structural Responses（水力与组合载荷结构响应相关性）表明，R/D_i使K_sys与σ_comb同向降低，L_s/D_i使K_sys升高而σ_comb降低，θ在75°附近出现转折；σ_comb–U_comb关系显示R/D_i主要改变峰值应力，L_s/D_i使二者同降，θ在75°—90°出现应力与变形响应分离。3.4.2 Relative Response Variations from the Baseline Configuration（相对基线构型的响应变化）以L_s/D_i=14.706、R/D_i=3.25、θ=45°为基线（K_sys=7.170、σ_comb=208.80 MPa、U_comb=139.97 mm、m_pipe=48,508 kg）表明，R/D_i=1.50时K_sys和σ_comb分别增加4.95%和10.51%，U_comb最大增加1.12%，m_pipe最大降低不超过0.32%；θ=30°时m_pipe和K_sys分别降低4.59%和9.04%，σ_comb和U_comb分别增加15.01%和37.26%；θ为60°、75°、90°时，m_pipe分别增加5.64%、11.61%、16.94%，K_sys分别增加8.84%、16.06%、22.24%，σ_comb分别降低5.39%、6.63%、6.00%，U_comb分别降低16.44%、23.86%、26.87%；L_s/D_i=10.695时m_pipe和K_sys分别降低2.52%和3.45%，σ_comb和U_comb分别增加13.80%和25.26%，而L_s/D_i为18.717、22.727、26.471时m_pipe分别增加2.52%、5.04%、7.40%，K_sys分别增加3.30%、5.88%、7.49%，σ_comb分别降低8.01%、12.25%、17.12%，U_comb分别降低12.94%、19.80%、22.01%。3.5 Engineering Design Recommendations（工程设计建议）提出，在满足横向布局要求时优先增大R/D_i，因其可同时降低K_sys和σ_comb且管材质量和总变形变化有限；L_s/D_i和θ可用于进一步调节结构响应，但应受系统阻力和管材用量约束，不宜依据单一结构指标持续增大；在应力与变形满足设计限值时，45°可作为兼顾水力性能、结构响应和管材用量的候选角度。

讨论部分指出，该CFD–FEA分析基于稳态流动、均匀温度、各向同性线弹性和简化支撑—吊架构型，未考虑云致太阳通量波动、启停和快速温变引起的瞬态热载荷，也未考虑轴向及壁厚方向温度梯度、循环热应力、热机械疲劳、蠕变、应力松弛以及支撑夹持摩擦约束的长期演化；反复热循环可能导致已识别高应力位置疲劳累积，因此高应力位置应理解为规定稳态线弹性载荷工况下的控制位置，而非长期损伤的确定性预测。单因素设计识别了L_s/D_i、R/D_i和θ的个体响应趋势，但未计入参数间交互作用，后续可采用响应面法和多目标优化研究多参数耦合及水力性能、结构响应与管材用量之间的权衡。研究结论部分可译为：（1）随L_s/D_i增大，K_sys持续增大，而组合载荷工况最大von Mises等效应力和最大总变形持续降低；非热工况最大应力总体升高，热膨胀工况最大应力持续降低，两条响应曲线在L_s/D_i=22.727与26.471两个计算点之间相交，表明随等效倾斜段长度增大，两个独立载荷工况的相对应力水平发生转变。（2）随R/D_i增大，K_sys和组合载荷工况最大von Mises等效应力持续降低，而组合载荷工况最大总变形变化很小；非热工况和热膨胀工况最大应力均保持下降趋势；弯头曲率比变化主要反映在系统总阻力和峰值应力水平上。（3）随θ增大，K_sys持续增大，而组合载荷工况最大总变形持续降低；组合载荷工况最大von Mises等效应力在五个离散构型中于75°达到最小值，随后在90°略增；非热工况和热膨胀工况最大应力呈相反趋势，其响应曲线在60°与75°计算点之间相交；应力结果还显示最大von Mises应力位置随θ改变，弯头下游截面速度和湍动能分布亦随角度显著变化。（4）三种几何参数对水力性能、结构响应和管材质量的影响并不一致：增大等效倾斜段长度会提高系统总阻力和管材质量，同时降低最大应力和最大总变形；增大弯头曲率比可同时降低系统总阻力和最大应力，且管材质量变化很小；增大倾斜段角度虽持续降低最大总变形，但会提高系统总阻力和管材质量，且最大应力呈非单调变化。在所研究的五个离散角度构型中，45°构型的最大应力和最大总变形低于30°构型，系统总阻力和管材质量低于60°、75°和90°构型，因此在水力性能、结构响应和管材用量之间表现出一定协调性。