一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法技术方案

一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法，首先针对待优化太阳能聚焦集热系统及其待优化参数，分别建立其参数化三维光学计算模型、参数化几何拓扑网格模型、参数化流动传热数值计算模型和优化算法模型；再将优化算法模型与参数化三维光学计算模型、参数化几何拓扑网格模型以及参数化流动传热数值计算模型相互耦合，用以进行光-热-流体耦合优化设计计算；并将耦合计算结果返回给优化算法模型从而进一步优化设计；直至完全满足优化算法模型中所选取或设计构造的优化判断准则为止。本发明专利技术能迅速高效地完成太阳能聚焦集热系统光学模型、几何模型以及流动传热数值计算模型设计、光-热-流体耦合计算以及整个系统综合性能优化设计等工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能热利用
，具体涉及。
技术介绍
随着经济发展，工业能耗不断增长，能源危机日益严重，新能源的开发及其低成本高效利用研究显得至关重要，发展太阳能热发电技术成为现阶段我们面临的一项重要研究任务。其中，太阳能聚焦集热系统的运行稳定性和流动传热综合性能的优化是系统设计和改进的重要目标，各国学者做了大量的研究工作，提出了各种改进措施。然而，目前的研究还主要限于单个问题的发现与解决，而考虑多因素共同作用，并综合结构、材料、运行参数等多方面加以优化改进以及实现系统各个参数的协同优化工作还未展开。太阳能聚焦集热系统作为一个复杂的系统，其中的聚光传热过程是一个极其复杂的光能聚集、转换以及复杂耦合传热的过程，而且结构、材料以及运行参数的组合多种多样，若仅仅依靠实验手段确定最优参数组合需要花费大量的人力物力，成本高昂。因此采用一种合理、科学的优化算法，在众多可能的参数组合中确定使系统的运行稳定性和流动传热综合性能达到最优解的参数组合是一个值得研究和亟待解决的问题。目前也还未有研究学者提出先进而系统的优化算法对太阳能聚焦集热系统进行整体性能综合评估及自动优化设计，此部分工作仍有待展开。在此背景下，人们希望尽早设计出一种能有效完成太阳能聚焦集热系统光学模型、几何模型以及流动传热数值计算模型设计、光-热-流体耦合计算以及整个系统综合性能优化设计等工作的太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合自动优化设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，能有效完成太阳能聚焦集热系统光学模型、几何模型以及流动传热数值计算模型设计、 光-热-流体耦合计算以及整个系统综合性能优化设计，解决太阳能聚焦集热系统的自动优化设计问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是I)针对待优化太阳能聚焦集热系统及其待优化参数，分别建立其参数化三维光学计算模型、参数化几何拓扑网格模型、参数化流动传热数值计算模型和优化算法模型；2)在所建立的待优化太阳能聚焦集热系统的三个参数化模型与优化算法模型上， 通过参数传递和耦合计算将四者进行耦合，用以进行光-热-流体耦合优化设计，即将优化算法模型产生的各个待优化参数合理参数值分别传递给三个参数化模型、将三个参数化模型之间互相耦合、计算并将耦合计算结果返回给优化算法模型从而进一步优化设计；直至完全满足优化算法模型中所选取或设计构造的优化判断准则为止。所述的参数化三维光学计算模型的构建是基于蒙特卡罗光线追迹MCRT算法建立待优化太阳能聚焦集热系统的参数化三维光学计算模型，包括通用三维几何结构模型建立及其简化划分以及光学物理特征描述；I)采用统一的几何结构表达形式建立参数化三维光学系统的通用三维几何结构模型，即其三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，表达式如下式中Cn为4阶通式方程左侧各项的系数，下标η从I到35，i、j、k分别为各项中 x、y及z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和也在0-4之间，而对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现；2)将该通用三维几何结构模型分成若干具有简单光学特性的子系统层次，并对各子系统层次及其表面采用统一编号进行区分；所述的具有简单光学特性的子系统层次是指各子系统层次是由实际表面或虚拟表面分割包围而成，且其中所含介质为简单的同一均匀介质，以及不同时包含太阳辐射参与性与非参与性两类介质；3)将该通用三维几何结构模型各子系统层次组成表面划分为便于计算中区分的不同类别，并采用统一表达形式描述其光学物理特征，即统一的光学物性参数表达形式首先，对于组成太阳能聚焦集热系统的方程阶次不一的各表面，设计分为“黑体物质表面或完全吸收物质表面”、“一般物质表面”即“非透明质表面”与“一般透明质表面”及 “虚拟透过表面”具体分类规则如下式中α和τ分别为吸收率与透射率；然后，米用统一表达形式描述每一划分子系统层次及其组成表面的光学物性参数，对于每一层次内介质光学特性的描述设计分为非参与性介质与参与性介质分别进行设定，包括统一的折射率或吸收系数μ α、散射系数43及各向异性因子g表达式，子系统层次各组成表面光学特性采用统一的吸收率α、反射率P以及透过率τ表达方式，但“虚拟表面”统一设置为透过率100%，统一表达式如下所示权利要求1.，其特征在于包括以下步骤1)针对待优化太阳能聚焦集热系统及其待优化參数，分别建立其參数化三维光学计算模型、參数化几何拓扑网格模型、參数化流动传热数值计算模型和优化算法模型；2)在所建立的待优化太阳能聚焦集热系统的三个參数化模型与优化算法模型上，通过參数传递和耦合计算将四者进行耦合，用以进行光-热-流体耦合优化设计，即将优化算法模型产生的各个待优化參数合理參数值分别传递给三个參数化模型、将三个參数化模型之间互相耦合、计算并将耦合计算结果返回给优化算法模型从而进一步优化设计；直至完全满足优化算法模型中所选取或设计构造的优化判断准则为止。2.根据权利要求I所述的太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法，其特征在于所述的參数化三维光学计算模型的构建是基于蒙特卡罗光线追迹MCRT算法建立待优化太阳能聚焦集热系统的參数化三维光学计算模型，包括通用三维几何结构模型建立及其简化划分以及光学物理特征描述；1)采用统一的几何结构表达形式建立參数化三维光学系统的通用三维几何结构模型， 即其三维几何结构统ー采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，表达式如下3.根据权利要求I所述的太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法，其特征在于所述的参数化几何拓扑网格模型的建立是对应于待优化太阳能聚焦集热系统的参数化三维光学计算模型，在通用计算流体与传热平台前处理软件Gambit中建立参数化几何拓扑网格模型，包括建立系统几何结构与拓扑网格信息。4.根据权利要求I所述的太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法， 其特征在于所述的参数化流动传热数值计算模型的建立是在通用计算流体与传热平台 Fluent中建立待优化太阳能聚焦集热系统的参数化流动传热数值计算模型,包括确立流动传热控制方程组、材质热物理性质、边界条件以及初始条件；其中，所涉及到的工质流体动力学参数、材质热物理性质参数、气象环境参数、系统运行工况与运行参数即为该流动传热数值计算模型的可待优化参数。5.根据权利要求I所述的太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法，其特征在于所述的优化算法模型的建立包括以下步骤I)采用遗传算法或粒子群优化算法建立待优化太阳能聚焦集热系统优化算法模型，还包括确定所有待优化参数的变化范围区间、设计构造优化目标函数及优化判断准则；1-1)根据实际优化设计要求，分别确定所给待优化太阳能聚焦集热系统的各个待优化参数的变化范围区间，用以在优化设计计算过程中产生符合实际优化设计要求的各个待优化参数的合理参数值分别传递给三个参数化模型；1-2)设计构造优化目标函数，基于工质流动稳定性X1、温度分布均匀性X2、流场温度场两场协同性X3、流场温度场压力场三场协同性x4，…，工质流体流动性能以及系统热性能 (或热效率)Xn来构造优化目标函数f (X17X27X37X4j…，Xn)，用以计算并评价适应度即优化目标函数值，以获得最优评价下对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何雅玲，程泽东，崔福庆，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：