光伏跟踪支架风致响应FSI仿真
关键词：ANSYS；流固耦合；脉动风；光伏支架；风致响应
一、文章简要介绍
光伏跟踪支架靠转动面板追太阳来提发电量，代价是结构在风里比固定支架更敏感。这篇论文用单向流固耦合方法，把ANSYS Fluent算出来的风压搬到ANSYS Mechanical里做结构响应分析，研究5行乘5列光伏阵列在脉动风下的振动特性。谐波叠加法按Davenport谱生成脉动风时程，分析15度、30度、45度三个倾角在0度和180度两个最不利风向下的风压分布，再对30度倾角加0度风向的典型工况做详细的风致振动分析。结果发现风压分布很不均匀，第一排受风最重，第二排衰减最明显，后续排逐渐稳定；檩条振动位移最大，主梁和立柱小得多。论文发表在Scientific Reports 2025年第15卷16905篇，DOI：10.1038/s41598-025-01601-2。
图1是光伏跟踪阵列的布置。模型按合肥某光伏电站的实际工程简化，去掉螺栓、螺纹等细节，取5行乘5列布置，每排面板由檩条、主梁和立柱支撑。风向角0度是迎风最不利工况，180度是背风最不利工况。
二、仿真步骤
步骤一：生成脉动风时程。平均风只能当静载算，脉动风才会和结构共振。论文用谐波叠加法，以Davenport谱为目标谱生成脉动风速时程，经Cholesky分解考虑各点相关性，入口风速由50年基本风压反推：合肥基本风压350帕，对应基本风速25米每秒，风速边界层用Fluent的UDF编写。
图2是流体计算域。整个流域分成外部流场和局部加密子域，阻塞率取2.5%，低于文献推荐的3%上限，尽量减小阻塞效应对风压分布的影响。
步骤二：流体网格划分。流域全部用六面体网格，面板附近边界层加密，捕捉光伏板周围的复杂绕流。网格无关性验证用面板迎风面平均湍动能作指标，从五套网格里筛：1134万单元和1456万单元的结果只差1%，最终采用1134万单元、1095万节点的模型。
图3是流体域网格。光伏板附近网格加密，用于精确捕捉绕流和涡结构，这是风压分布算得准的前提。
图4是网格无关性验证曲线。单元数过千万之后平均湍动能基本持平，说明网格密度对结果的影响已经可以忽略。
步骤三：单向流固耦合求解。流体域在ANSYS Fluent里算稳态风场，把面板表面风压作为边界条件传给ANSYS Mechanical结构域。结构域里光伏板用壳单元，檩条、主梁、立柱用实体单元，阻尼按Rayleigh模型设置，做瞬态动力响应分析。单向耦合意味着结构变形不回馈流场，对刚度较大的跟踪支架足够。
三、关键结果与发现
第一个结果：风压分布第一排最重。风压体型系数沿风向递减，第一排最大，第二排衰减最明显，后面几排逐渐平稳。30度倾角下第一排体型系数平均0.818，第二排只剩0.088，衰减超过八成。倾角越大，前排对后排的遮挡越强。
图5是风压体型系数的空间分布。迎风面整体对称，最大值出现在面板边缘，边缘流动分离比中心剧烈，边缘更容易先坏，设计时要重点考虑。
第二个结果：流场里涡结构明显。来流爬过第一排面板，上缘风速最大到40.5米每秒，面板背风面形成大范围低速低压区和涡旋，涡强度沿风向逐渐减弱。这些涡和阵列间的涡相互碰撞，直接影响后排支架的振动响应。
图6是速度矢量图。第一排面板上缘是全场风速最高的位置，背风侧的涡结构清晰可见，这是后排风压复杂分布的主要来源。
第三个结果：结构响应差异大。前六阶模态频率4.27到12.49赫兹，第一阶是轴向扭转，第二阶是水平振动。位移时程显示，檩条直接承受面板弯矩，瞬时位移最大，23.2秒处达到2.04毫米；主梁0.37毫米，立柱只有0.13毫米。风载弯矩对檩条的影响必须重点校核。
图7是各排支撑构件的位移时程。第一排位移最大，第二排衰减最大，和风压分布规律一致。前5秒结构受突加风载波动剧烈，分析取后面35秒的稳态段。
第四个结果：结果与文献互相印证。中间列遮挡效应衰减8%到47%，边列15%到60%，和Xu的数值模拟结果（4%到35%、13%到50%）趋势一致，验证了这套仿真方法可靠。
