可控热成旋风的旋转浮力射流理论、数值模拟与模型试验

Dust devil is a small scale surface-heated whirlwind system in nature, characteristic of short life and high wind ernergy density. The sustainable dust-devil-like whirlwind has the potential of wind power generation. Based on the induced conditions and meteorogical data of dust devils, the concept of steady heat driven whirlwind system is presented in this proposal, using the artifical concentrating solar shed and air inflow prerotation technologies, to produce a stable swirling buoyant jet. The investigation of this kind of low-temperature solar-powered whirlwind system is related to the multidisciplinary of atmospheric physics, mechanics and thermophysics. .To figure out the new wind system of low-temperature solar-powered whirlwind,large eddy simulation of the heat transfer and air flow of the whole swirling buoyant jet will be carried out with the physical modelling of the concentrating solar shed and air inflow prerotation, and a bench test will be designed and done as well to obtain the key technologies of heating design in the concentrating solar shed for the appropriate temperature distribution and the air inflow prerotation part design to drive the swirling air flow. In the meantime, the low temperature heat storage will be examined based on the thermophysics analysis. .The establishments of the theory of stable swirling buoyant jet and the key technologies of the heating design of concentrating solar shed and the air inflow prerotation part are the goal of this proposal through thermophysics analysis and large eddy simulation of swirling buoyant jet and bench test.

自然界的尘卷风是一种寿命较短、能量密度较高的地表加热热成旋转风场，可持续维持的热成旋转风场具有作为风能利用的潜力。通过自然界尘卷风诱发条件与气象要素的类比，本项目提出利用低温太阳能聚热棚集热及入流预旋技术，形成一种稳定旋转热浮力射流，也即可控热成旋风风场，是一种新的低温太阳能－旋转风场风能系统，涉及大气物理学、力学以及工程热物理等交叉工程科学问题。本项目通过可控热成旋风风能系统聚热棚物理结构模型构建、传热与流动的数值模拟研究，探索一种低温太阳能－旋转风场风能系统模式；通过可控热成旋风风能利用的热力学性能分析，进一步研究低温太阳能聚热棚技术以及储热技术；研制可控热成旋风模型装置，通过温度场与流动的测量及试验研究，解决可控热成旋风风能系统的聚热棚集热及涡量控制关键技术，为进一步的工程试验研究提供理论基础和关键部件的设计理论。

本项目研究利用低温太阳能聚热棚集热及入流预旋技术，形成聚热棚中心出口的稳定旋转热浮力射流，并利用新型螺旋叶片输出风能，从而构建低温太阳能－旋转风场风能系统。聚热棚是可控热成旋风的旋转浮力射流的核心部件，本项目首先搭建含有8个预旋叶片的直径为4m的聚热棚试验系统，在不同加热温度（温差50K，60K和70K）和加热强度（加热面积）条件下，研究了聚热棚中心出口的旋转浮力射流流场及结构参数对旋转风场的影响。其次，构建了聚热棚物理结构模型，通过其内部传热与流动的数值模拟研究，分析了外围大气进入200m半径聚热棚的入射角度、聚热棚尺寸以及集热温度对于聚热棚中心旋转风场的特征风速值的变化规律，结果表明合速度达到3m/s的可利用风能速度；通过流体力学中相似理论的分析，得出相应入射角度下，聚热棚尺寸与特征风速值在不同加热温度下的曲线关系图，为合理预测聚热棚的经济尺寸，选择合适加热温度提供重要参考。第三，初步探索了聚热棚中心旋转风能输出的螺旋叶片结构及其输出效率。总之，通过本项目的实验和理论研究，基本解决可控热成旋风风能系统的聚热棚集热、预旋叶片涡量控制关键技术以及旋转风场的螺旋叶片方案，为进一步的工程试验研究提供理论基础和关键部件的设计理论。.本项目执行期间共完成期刊学术论文5篇，会议论文3篇。申请发明专利1项。