[发明专利]一种太阳能聚焦集热系统光-热-流体耦合优化设计方法

权利要求书

1.一种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。

2.根据权利要求1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；

1)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：

F4(x,y,z)=Σn=135Cnxiyjzk=0---(1)]]>

式中C_n为4阶通式方程左侧各项的系数，下标n从1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，采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μ_s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ρ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：

式中R[id_layer]为每一子系统层次的折射率，P[id_layer]为标识该id_layer层次是否为太阳辐射参与性介质的标号，若为0则不是；否则即是，并需要进一步赋已知数值的实际吸收系数μ_α、散射系数μ_s以及各项异性因子g；

通用三维几何结构模型建立和光学物理特征描述中所涉及到的系统结构几何参数、材质光学物性参数即为该三维光学计算模型的可待优化参数。