考虑风场空间相关性的聚光结构风荷载和风致响应研究

太阳能热发电技术已列入“国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）”，是我国正在大力发展的可再生能源技术。太阳能热发电系统核心部件的聚光器在太阳能资源丰富的我国西北地区的抗风问题是这项技术目前遇到的瓶颈问题之一。设计要求聚光器在6级风下只能发生毫米级的风致振动变形，但是目前在用的聚光器结构自振频率低，是风敏感结构物，因此如何保证聚光器的微小风致振动变形是要解决的瓶颈问题之一。另外太阳能电站将大批量的聚光器进行串联和并联组合，构成聚光器镜场，在风作用下，镜场中的聚光器之间相互干扰影响，同时聚光器也在追日旋转，需要同时考虑多种因素进行聚光器及场的抗风问题研究。 本项目聚焦于聚光器的风荷载和风致响应，应用现场实测和风洞试验手段，进行系统全面的分析研究，主要内容包括：（1）近地面风场实测，（2）聚光器风荷载和风致响应的原型实测，（3）群体干扰效应的聚光器风洞试验，（4）聚光器风荷载的空间相关性规律。本项目重要结果包括：（1）建立聚光器抗风性能现场监测平台，（2）得到近地面风场空间相关性规律，（3）得到强季风条件下聚光器风荷载作用机理和风致响应变化规律，（4）得到群体干扰效应的聚光器风荷载规律。 本项目成果的科学意义在于阐明了在强季风条件下的聚光器风荷载作用机理，阐明了在多排多跨的群体聚光器相互影响下的风荷载作用机理，阐明了聚光器在追日旋转下的风致振动及变形规律。上述研究成果能够解决太阳能热发电技术的瓶颈问题之一（即聚光器抗风问题）。 本项目的研究成果提供的风荷载边界条件应用到了电工所主持的建造于海南临高县单台聚光器设计和建造于北京延庆县的1MW聚光器场设计，其中临高县聚光器经历了“威马逊”台风袭击，完好无损，验证了本项目提供的抗风设计指标，能够为我国示范项目和商业化应用提供技术保证。 2100433B

本项目将综合时域小波理论和频域本征正交分解方法，基于现场实测和风洞实验数据，针对聚光结构，进行脉动风、风荷载和风致响应的空间相关性规律研究，提出实用的空间相关性分析算法，并建立相应的数学模型。具体研究工作包括近地风场特性及空间相关性分析、长跨度结构沿跨度方向的脉动风压和风致响应的相关性分析以及它们和脉动风相关性的对应关系、受群体干扰影响的结构之间的风荷载空间相关性分析。本项目虽然是基于聚光结构开展研究工作，但是所建立的数学模型和理论方法能为包括聚光结构在内的长跨度结构、低矮结构和受群体干扰影响的结构之间的风荷载空间相关性规律提供技术和理论支撑。

本项目综合利用了现场原型实测，风洞实验，数值模拟，理论分析等多种研究手段，对典型的近海山地上典型低矮民宅和2层足尺实验房的抗风问题进行了系统、深入的研究，系统地获取了沿海典型山区地貌上近地面台风风场、风剖面的平均风速及风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱和湍流相关性等风场特性，多种典型低矮房屋表面的平均风压、脉动风压及峰值风压等的变化规律，以及复杂山区地貌对近地风场及低矮房屋风荷载特性的影响规律，并将现场实测结果与风洞试验和数值模拟结果进行对比分析，总结出相关规律和特征，并提出改进风洞试验和数值模拟的方法，为低矮建筑物的抗风设计提供参考和依据。 2100433B

采用现场实测、风洞试验和LBM模拟，研究近海山地区域的风场与低矮房屋风荷载。本项目拟在我国近海的3种典型山区地貌上，以既有典型2-7层低矮民宅和拟研制的1套可移动式2层足尺实验房为试验对象，建立近海山地风场和低矮房屋风荷载的现场实测基地、并进行实测，获取台风作用下近海山地的风场和低矮房屋风荷载特性。接着通过开展低矮房屋风荷载的风洞试验和LBM模拟研究，结合分形等数据分析方法，将现场实测结果与风洞试验和LBM模拟结果进行对比分析，根据总结出的相关规律和特征改进风洞试验和LBM模拟方法，以提高风洞试验和LBM模拟的准确性，并以此解决低矮建筑物风荷载研究的一些重要基础性问题，澄清一些目前尚不清楚的认识，为此类结构的抗风设计和以后规范中相关条文的修改、增加积累数据和提供参考。本项目成果对于提高我国近海山地区域低矮房屋的抗风能力、减轻风灾损失、提高城乡建设规划和低矮房屋建设的技术水平具有重大价值。