CC BY
36
PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES
NUMERICAL SIMULATION OF VORTEX PROCESS IN
WINDSCREEN ASSEMBLY 1 2 Koshumbayev M-В. , Koshumbayev A-М. (Republic of Kazakhstan)
Email: [email protected]
1Koshumbayev Marat Bulatovich - Doctor of technical Sciences, Academician of the UN international Academy of Informatization, DEPARTMENT OF HEAT POWER ENGINEERING, FACULTY OF POWER ENGINEERING, JSC "KAZAKH AGROTECHNICAL UNIVERSITY. S. SEIFULLIN», ASTANA; 2Koshumbayev Alisher Maratovich - Master of technical Sciences, Senior Researcher, LABORATORY OF ALTERNATIVE ENERGY LLP, ALMATY, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: а new direction of wind devices with a vertical axis of rotation without wind guidance mechanisms is presented. The main purpose of the research is to develop a mathematical model to describe the new design of the wind turbine, a distinctive feature of which is the use of the vortex effect and the concentration of the flow at its direct supply to the blades of the wind wheel. The studied design consists of a flow concentrator, inside which there is a wind wheel. A vertical pipe installed on top of the concentrator is used to extract the flow. Methods of research are numerical calculation and mathematical modeling of air flow inside the structure of the wind turbine, by which the distribution of the velocity field is determined.
Keywords: wind power plant, vertical axis of rotation, turbulence, vortex flow, wind turbine.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕВОГО ПРОЦЕССА
В ВЕТРОВОМ АГРЕГАТЕ 12 Кошумбаев M-Б. , Кошумбаев A-М. (Республика Казахстан)
1Кошумбаев Марат Булатович - доктор технических наук, академик Международной академии информатизации при ООН, кафедра теплоэнергетики, энергетический факультет, АО «Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина», г. Астана; 2Кошумбаев Алишер Маратович - магистр технических наук, старший научный сотрудник, ТОО «Лаборатория альтернативной энергетики», г. Алматы, Республика Казахстан
Аннотация: представлено новое направление ветровых устройств с вертикальной осью вращения без механизмов наведения на ветер. Основная цель исследований заключается в разработке математической модели для описания новой конструкции ветровой установки, отличительной чертой которой является применение вихревого эффекта и концентрация потока при непосредственной его подаче на лопасти ветроколеса. Изучаемая конструкция состоит из концентратора потока, внутри которого находится ветроколесо. Для вытяжки потока используется вертикальная труба, устанавливаемая сверху концентратора. Методами исследований являются численный расчет и математическое моделирование движения воздушного потока внутри конструкции ветровой турбины, с помощью которых определяется распределение поля скоростей.
Ключевые слова: ветровая электрическая установка, вертикальная ось вращения, турбулентность, вихревое течение, ветротурбина.
Численное моделирование ветродвигателей обобщено и изложено в ряде публикаций [1]. Стратегические планы Казахстана связаны с использованием возобновляемых источников [2, 3]. Сдерживающими факторами ветровой энергетики являются проблемы ветроэнергетики - зависимость от изменения направления ветра - необходимость наведения на ветер с помощью специальных механизмов, консольное напряжение лопастей вызывает использовать новые материалы и создавать высокую прочность конструкции, деструктивное влияние осадков и низкой температуры на лопасти и узлы турбины - требуют своего решения для дальнейшего развития ветроэнергетики.
Численные расчеты на основе теории аэромеханики [4, 5] позволяют решить ряд задач, связанных с обтеканием лопастей и ветроколеса турбины. Наибольшее распространение получили численные методы решения системы дифференциальных уравнений [6]. Моделирование вихревого движения воздушного потока внутри конструкции приведена в следующих работах [7]. В подобных работах рассматриваются вихревые системы, которые состоят из вихрей разных размеров, но внутри конструкции объединяются в единый вихревой поток.
Крупномасштабные вихри влияют на основной поток и поглощают его энергию, и являются важным компонентом, влияющий на характер процессов переноса в турбулентных течениях [8]. Вихри крупных масштабов и молекулярная вязкость создают мелкомасштабные структуры, приводящие к диссипации энергии. Процесс перемешивания и переход крупномасштабных вихрей к мелкомасштабному движению создает турбулентность мелкого масштаба, которую можно рассматривать как локально изотропную турбулентность [9]. Метод моделирования крупных вихрей представляет собой симбиоз между прямым численным моделированием и решением осредненных уравнений Навье-Стокса [10].
Наиболее известная математическая модель турбулентности, применяемая в вычислительной гидроаэродинамике - моделирование больших вихрей (LES - Large eddy simulation). В настоящее время LES модели применяются в решении задач в различных сферах - в энергетике применяется для изучения процесса горения, в акустике изучается распространение волн, а также применяются при исследовании атмосферных явлений [11].
Решение системы уравнений производится с использованием схемы расщепления по физическим параметрам. Точность прогоночных операций зависит от шагов по времени и пространству. Анализ существующих методик показывает, что математическое описание рассматриваемого течения возможно с использованием осредненных уравнений Навье-Стокса с применением метода крупных вихрей.
Расчет проводился при начальной скорости воздушного потока 5 м/с, Re = 10000, начальное поле скорости задавалось по всей плоскости входного отверстия канала концентратора. На рисунке 1 приводится схема течения.
Рис. 1. Трехмерное изображение концентратора воздушного потока
Течение в канале стабилизируется при достижении 1 = 0,038 с и в дальнейшем картина течения не меняется (рис. 2). Результаты численного моделирования вихревого турбулентного движения потока в вихревой шести канальной ветротурбины показаны на рисунке 3, на котором в виде изолиний и изоповерхностей представлена динамика воздушного потока в концентраторе. При этом ветер направлен с одной стороны и воздух поступает в конструкцию через два канала концентратора.
Расчеты при подаче воздуха в два канала концентратора показывает увеличение скорости воздушного потока на выходе в 10-12 раз. Поток принимает установившийся характер течения за 20 сек. Предполагается, что начальное поле скорости равномерное и строго одного направления. Попадая в каналы концентратора, воздушный поток направлялся по касательной к внутренней поверхности концентратора. Это обеспечивает вихревое движение воздуха внутри концентратора. Устойчивое вращательное движение создает благоприятный режим для работы ветроколеса.
Рис. 2. Профиль скорости в канале концентратора при скорости набегающего потока 5 м/с и
времени Г = 0,038 с
и "Л и м/с
Рис. 3. Изолинии (a) и изоповерхность (b) скорости на временном шаге 20 с
Математическое моделирование вихревого движения воздуха в турбине связано с разработкой ветрового устройства [12], в которой поток концентрируется на лопасти ветроколеса с образованием вихревого движения внутри концентратора. Воздух из концентратора выводится с помощью вытяжной трубы. Как показали расчеты, концентратор увеличивает скорость воздушного потока в 8-10 раз. Исследования других авторов [13] подтверждают устойчивое вихревое движение, созданное направляющими лопатками. Воздействие на вихревой след в турбулентном потоке рассматривается в работе [14] с помощью направляющих стенок.
Применение направляющих лопаток изучалось немецкой компанией Turbina Energy AG [15]. Конструкция Solar Vortex [16] разработана в Технологическом Институте Джорджии (Атланта, США), в которой используются тепловые воздушные потоки. В России созданы ветровые устройства с использованием ротора Дарье в виде различных модификаций [17].
На сегодняшний день использование ветротурбин ограничено механизмами наведения на ветер, непостоянным воздействием потока на лопасти, шумовыми помехами ветроколеса, консольным напряжением на лопастях, воздействием осадков и температуры на конструкцию турбины.
Перечисленные проблемы исключаются при использовании ветротурбин с вертикальной осью вращения с концентратором и отводящей трубой. Отсутствие механизмов наведения турбины на ветер снижает материалоемкость конструкции. Ветроколесо находится внутри концентратора, что исключает шум. Исключено попадание осадков на лопасти ветроколеса. Благоприятный режим позволяет лопасти изготавливать из легких и тонких материалов для снижения веса ветроколеса. Результаты вычислительного эксперимента позволили оптимизировать конструкцию.
Новизна конструкции состоит в концентраторе с криволинейными каналами, тангенциально направленными от периферии к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколеса. Выходное отверстие каналов профилируется на лопасти, что максимально повышает воздействие потока на ветроколесо. Наружные части вытяжной трубы и шатра окрашены в темный цвет. В трубе используются конфузор и диффузор для улучшения тяги.
Научно-исследовательские работы по разработке конструкции вихревой ветроустановки с концентратором воздушного потока, проводились при грантовой поддержке Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан и финансировании АО «Самрук-Энерго». АО «Научно-технологический центр «Парасат» оказал содействие при изготовлении демонстрационной модели, представленной на международной выставке ЕХРО -2017. При расчетах отдельных узлов ветрового устройства участвовали исследовательские группы КазНУ имени аль-Фараби и КазНИИ Энергетики имени академика Ш. Ч. Чокина. Также выражаем большую благодарность сотрудникам Министерства Энергетики Республики Казахстан, за оказанную помощь при создании макетов и видеофильма о нашей разработке.
Список литературы /References
1. Горбунов А.А. Применение имитационного моделирования при проектировании дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна, автореф. дис.... канд. тех. наук 24.10.2013 / Горбунов Александр Алексеевич. Оренбургский государственный университет. Оренбург, 2013. 17 с.
2. Стратегия «Казахстан-2050». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://economy.gov.kz/ru/pages/strategiya-kazahstan-2050/ (дата обращения: 26.03.2019).
3. Кошумбаев М.Б. Стратегические цели и задачи энергетики // Ежегодник ИНИОН РАН. М. Выпуск 11. Часть 2, 2016. С. 369-370.
4. Wilson R.E. Wind turbine aerodynamics// J. of Ind. Aerod. 1980, v. 5. P. 357-372.
5. PreussR.O., Sussiu E.O., Morino L. Potential Aerodynamic analysis of horizontal - axis windmills // AIAA Paper, 1977. № 132. P. 1132-1140.
6. Кошумбаев М.Б. Повышение безопасности гидротехнических сооружений при чрезвычайных ситуациях путем усовершенствования конструкции водосбросов. Автореф. дисс. докт. техн. наук 31.05.2008 / Кошумбаев Марат Булатович. Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева. Алматы, 2008. 37 с.
7. Koshumbayev M.B., Kvasov P.A., Koshumbayev A.M., Erjan A.A. The vortex wind power plant with a flow concentrator // 3rd International Conference on "Innovative Trends in Multidisciplinary Academic Research" (ITMAR-2016), 20-21 October 2016 г. Istanbul, Turkey. С. 49.
8. Dolatabadi A., Mohammadi-Ivatloo B., Abapour M. Optimal Stochastic Design of Wind Integrated Energy Hub. // IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2017. Vol. 13. № 5. P. 2379-2388.
9. Soifer V.A., Korotkova O., Khonina S.N., Shchepakina E.A. Vortex beams in turbulent media: review // Computer Optics, 2016. Vol. 40 (5). P. 605-624.
10. Bruk M.A., Zhikharev E.N., Rogozhin A.E., Streltsov D.R., Kalnov V.A., Averkin S.N., SpirinA.V. Formation of micro- and nanostructures with well-rounded profile by new e-beam lithography principle // Microelectronic Eng., 2016. P. 92-96.
11. Wagner C., Huttl T., Sagaut P. Large-Eddy simulation foracoustics // Large-Eddy Simulation for Acoustics, 2007. P. 505-507.
12. Кошумбаев М.Б., Мырзакулов Б.К. Патент Казахстана № 2291 «Вихревой ветроагрегат». Бюл. № 14 от 31.07.2017.
13. Zhang Y., Bao W., Du Q. Numerical simulation of vortex dynamics in Ginzburg-Landau-Schrodinger equation. // Jnl of Applied Mathematics, 2007. Vol. 18. P. 607-630.
14. Eldredge J.D. Numerical simulation of the fluid dynamics of 2D rigid body motion with the vortex particle method // J. Comput. Physics. Vol. 221, 2007, P. 626-648. D0I:10.1016/j.jcp.2006.06.038.
15. Вертикальные ветрогенераторы TURBINA Energy. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http ://syenergy.com.ua/vetrogeneratory/317-ветрогенератор-turbina-te20. html
16. Dansie M. Solar Vortex. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://revolution-green.com/solar-vortex/ (дата обращения: 28.04.2015).
17. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения российского производства. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ekopower.ru/vetrogeneratoryi-s-vertikalnoy-osyu-vrashheniya-rossiyskogo-proizvodstva/ (дата обращения: 26.03.2019).
Список литературы на английском языке /References in English
1. Gorbunov A.A. application of simulation modeling in the design of additional aerodynamic surfaces of the aircraft wing, autoref. dis.... kand. technical Sciences 24.10.2013 / Gorbunov Alexander Alekseevich. Orenburg state University. Orenburg, 2013. 17 р.
2. Strategy "Kazakhstan-2050». [Electronic resource]. URL: http://economy.gov.kz/ru/pages/strategiya-kazahstan-2050 (date of acces: 26.03.2019).
3. Koshumbayev M.B. Strategic goals and objectives energy // Yearbook of the Institute of RAS, Moscow. Issue 11. Part 2, 2016. Р. 369-370.
4. Wilson R.E. Wind turbine aerodynamics // J. of Ind. Aerod., 1980. V. 5. P. 357-372.
5. PreussR.O., Sussiu E.O., Morino L. Potential Aerodynamic analysis of horizontal - axis windmills // AIAA Paper, 1977. № 132. P. 1132-1140.
6. Koshumbayev M.B. Improving the safety of hydraulic structures in emergency situations by improving the design of spillways. Abstract.dis.doctor.Techn.Sciences 31.05.2008 / Koshumbayev Marat Bulatovich. Kazakh national technical University named after K.I. Satpayev. Almaty, 2008. 37 р.
7. Koshumbayev M.B., Kvasov P.A., Koshumbayev A.M., Erjan A.A. The vortex wind power plant with a flow concentrator // 3rd International Conference on "Innovative Trends in Multidisciplinary Academic Research" (ITMAR-2016), 20-21 October 2016 г. Istanbul. Turkey. С. 49.
8. Dolatabadi A., Mohammadi-Ivatloo B., Abapour M. Optimal Stochastic Design of Wind Integrated Energy Hub. // IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2017. Vol. 13. № 5. P. 2379-2388.
9. Soifer V.A., Korotkova O., Khonina S.N., Shchepakina E.A. Vortex beams in turbulent media: review // Computer Optics, 2016. Vol. 40 (5). P. 605-624.
10. Bruk M.A., Zhikharev E.N., Rogozhin A.E., Streltsov D.R., Kalnov V.A., Averkin S.N., SpirinA.V. Formation of micro- and nanostructures with well-rounded profile by new e-beam lithography principle // Microelectronic Eng., 2016. P. 92-96.
11. Wagner C., Huttl T., Sagaut P. Large-Eddy simulation foracoustics // Large-Eddy Simulation for Acoustics, 2007. P. 505-507.
12. Koshumbayev M.B., Myrzakulov В.К. Patent of Kazakhstan № 2291 "Vortex turbine". Bull. № 14 from 31.07.2017.
13. Zhang Y., Bao W., Du Q. Numerical simulation of vortex dynamics in Ginzburg-Landau-Schrodinger equation. // Jnl of Applied Mathematics, 2007. Vol. 18. P. 607-630.
14. Eldredge J.D. Numerical simulation of the fluid dynamics of 2D rigid body motion with the vortex particle method // J. Comput. Physics. Vol. 221, 2007. P. 626-648. D0I:10.1016/j.jcp.2006.06.038.
15. Vertical wind turbines TURBINA Energy / [Electronic resource]. URL: http://syenergy.com.ua/vetrogeneratory/317-ветрогенератор-turbina-te20.html/ (date of acces: 26.03.2019).
16. Dansie M. Solar Vortex. [Electronic resource]. URL: https://revolution-green.com/solar-vortex/ (date of acces: 28.04.2015).
17. Wind turbines with a vertical axis of rotation of the Russian production. [Electronic resource]. URL: http://www.ekopower.ru/vetrogeneratoryi-s-vertikalnoy-osyu-vrashheniya-rossiyskogo-proizvodstva/ (date of acces: 26.03.2019).
