CC BY
88
УДК 621.01
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
О.Б. Тихонова1, Д.В. Русляков2, Л.В. Ларина 3, Я.С. Давыдов4
Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета (ИСОиП(филиал) ДГТУ),
346500, Шахты, ул. Шевченко, 147
В статье проведен анализ компьютерного моделирования работы ветровэнергетической установки, расчет обтекания, основных аэродинамических сил и моментов возникающих на однороторной и двухрото-роной ветровой установке при обдуве ее ветровым потоком в программном комплексе.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, компьютерное моделирование, двухроторнаявет-роустановка, малая скорость ветра, аэродинамическое обтекание.
APPLICATION OF COMPUTER MODELING OF WIND POWER INSTALLATION
O.B. Tihonova, D.V. Ruslyakov, L.V. Larina, Ya.S. Davydov
Institut service sector and enterprise (branch) of the Don State Technical University (ISOiP(branch) DGTU), 346500, Schachty, str. Shevchenko, 147
In the article the analysis of computer simulation of vetroenergetichesky installation, calculation of flow, fundamental aerodynamic forces and moments occurring at the single and durational wind installation when its blowing wind flow using software.
Keywords: wind turbine, computer simulation of dual rotor wind turbine, small wind speed, the aerodynamic flow around
В настоящее время ветроэнергетика является самой быстроразвивающейся отраслью в мировой электроэнергетики. Одной из проблем разработки ветроэнегетических установок (ВЭУ) является подведение теоретической базы создания систем технического устройства эффективно преобразующего энергию ветра. Существует ряд трудностей на пути развития и широкого применения автономных установок.
Создание и разработка ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой мощности связаны с решением ряда сложных как научных, так и практических задач:
- установления рациональных режимов работы ветроустановки при малых скоростях ветра;
- поиск и разработка конструкции генератора, стабильно работающего в условиях малых ветров;
- разработка методов расчета эффективности ВЭУ с учетом динамического взаимодействия с ветроколесом;
- моделирование аэродинамических процессов.
Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению, либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное моделирование ветроустановки.
Рассмотрены несколько вариантов задачи моделирования обтекания ветроустановок:
- традиционнаяветроустановка с одним ротором и двухроторнаяветроустановка (первое ветроколесо одинаково по диаметру со вторым ветроколесом);
- двухроторнаяветроустановка с разными по диаметру ветроколесами, с учетом близости земли и без учета, при наличии схематизированной башни и без нее, с учетом обтекания гондолы, установлнной вверх по потоку от ротора, и без учета.
1 Тихонова Ольга Борисовна - кандидат технических наук, доцент кафедры Технические системы ЖКХ и сферы услуг ИСОиП (филиал) ДГТУ, тел: +7 918 5516113, e-mail: tudd@mail.ru;
2Русляков Дмитрий Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры Технические системы ЖКХ и сферы услуг ИСОиП (филиал) ДГТУ, тел: +7 9085065574,e-mail: ruslyako_ f@yandex.ru;
ъЛарина Людмила Васильевна - кандидат технических наук, профессор кафедры Технические системы ЖКХ и сферы услуг ИСОиП (филиал) ДГТУ, тел. +79281391223;
4Давыдов Ярослав Сергеевич - магистрант кафедры Технические системы ЖКХ и сферы услуг ИСОиП (филиал) ДГТУ
Применение компьютерного моделирования ветроэнергетической установки
Комплекс вычислений проведен в программном комплексе ANSYS Fluent. Геометрия модели традиционной ВЭУ с одним ротором в программном комплексе ANSYS DesignModeler приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 -Геометриямодели однороторной ВЭУ в ANSY DesignModeler
Для экономии времени за счет визуализации общей структуры всего проекта предлагается использование схематического представления ВЭУ (рис. 3) в среде ANSYS Workbench. Расчетные модули содержат все необходимые компоненты и позволяют создать всю систему расчета. Формирование связей в схеме ветроэнергетической установки позволяет осуществлять обмен между различными физическими задачами и импортировать нагрузку из расчета в расчет.
Рисунок 3 -Схемапроекта расчета лопасти ветро-колеса в ANSYS Workbench
а) б)
Рисунок 2 -Геометриямодели двухроторной ВЭУ в ANSYS DesignModeler:а) ВЭУ с одинаковыми ветроколесами; б) ВЭУ с разными ветроколесами
На рисунке 2 приведенадвухроторна-яветроустановка с контр вращением лопастей, построенная в программном комплексе ANSYS DM для дальнейшего создания физической и математической модели, выбора расчетных областей и подобластей, проведения цикла методических и параметрических расчетов.
В ANSYS Fluent представлено большое число моделей турбулентности. Модели лами-нарно-турбулентного перехода позволяют предсказать смену режимов в пограничном слое. Эксперименты проводились для трех скоростей, соответственно для 3 м/с, 5м/с, 7 м/с результаты представлены в таблицах 1^3.
В таблице 4 приведены результаты расчетов коэффициента использования энергии ветра (Киэв), выполненные согласно предложенным моделям ветроэнергетических установок.
Согласно полученным результатам (таблица 4) коэффициент использования энергии ветра (К"иэв) у двухроторонойветро-установки с контр вращением при разных диаметрах ветроколеса больше, чем коэффи-циентиспользования энергии ветра одноро-торной ветроустановки традиционного типа, но уступает по характеристикам двухротор-нойветроустановки с контр вращением при одинаковых диаметрах. Модель двухротор-ной ВЭУ с контр вращением при одинаковых ветроколеса является более эффективной по
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА № 3(37) 2016
37
О.Б. Тихонова, Д.В. Русляков, Л.В.Ларина, Я.С.Давыдов
сравнению с первым и третьим вариантом моделирования.
Таблица 1 -Зависимостькрутящего момента и мощности ВЭУ при скорости ветра 3 м/с
Вариант моделирования № ветроколе-са Крутящий момент, кгс^м Мощность, Вт
1 ВК 1 0,042 0,011
1 ВК = 2 ВК 1 0,028 0,008
2 0,026 0,007
1 ВК < 2ВК 1 0,015 0,004
2 0,084 0,022
Таким образом, очевидно, что компьютерное моделирование ветроэнергетической установки поможет заменить физические эксперименты на виртуальные, при допустимой достоверности результатов.
Таблица 4 -Результаты КИЭВ в комплексе ANSYS
Метод моделирования Киэв ВЭУ при 3 м/с, % Киэв ВЭУ при 5 м/с, % Киэв ВЭУ при 7 м/с, %
Однороторная ВЭУ 39,1 40,7 42,0
Двухроторная ВЭУ с контр вращением ВК, при 1 ВК = 2 ВК 52,2 53,8 55,1
Двухроторная ВЭУ с контр вращением ВК, при 1 ВК < 2 ВК 41,1 42,5 44,5
Литература
1 Программный продукт ANSYS для решения задач вычислительной гидродинамики [Электронный ресурс] http://www.cadfem-cis.ru/products/ansys/
2 Обозов А. Дж., Мамыркулов К.М и др. К вопросу создания ВЭУ с системой автоматического регулирования выходных электрических параметров //Математическое моделирование и проблемы автоматизации: Тез.докл. конф. - Фрунзе, 1990. - С.51.
3 Русляков Д.В. Вопросы энергосбережения и энергоэффективности жилищно-коммунального комплекса в России/ Д.В. Русляков, О.Б. Тихонова// Актуальные проблемы техники и технологии: международная научно-практическая конференция: материалы: - ИСОиП (филиал) ДГТУ, 2014, с.151-154
4 Русляков Д.В. Правовые основы энергосбережения и оценки энергоэффективности в России/Д.В. Русляков, О.Б. Тихонова.// Наука и мир. - 2014. - Т. 2, №4 (8)/
5 Ветроэнергетика/ под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ.; в 39 под ред. Я. И. Шефтера.- М.: Энергоата-миздат, 1982.
6 Тихонова О.Б. Проблемы и перспективы исследования ветроустановок малой мощности в жилищно-коммунальном комплексе/О.Б. Тихонова, Д.В. Рус-ляков и ^.//Material sofxiinternational researshand practice conference "fundamental and applied science -2015". - Science and Education Ltd, Sheffield, UK, 2015. - Vol. 18
Таблица 2 - Зависимость крутящего момента и мощности ВЭУ при 5 м/с
Вариант моделирования № ступени Крутящий момент, кгс^м Мощность, Вт
1 ВК 1 0,243 0,155
1ВК = 2 ВК 1 0,165 0,105
2 0,154 0,098
1 ВК < 2ВК 1 0,110 0,070
2 0,451 0,279
Таблица 3 -Зависимость крутящего момента и мощности ВЭУ при скорости ветра 7 м/с
Вариант моделирования № ветроколе-са Крутящий момент, кгс^м Мощность, Вт
1 ВК 1 0,121 0,055
1 ВК = 2 ВК 1 0,082 0,037
2 0,076 0,035
1 ВК < 2ВК 1 0,055 0,025
2 0,208 0,092
