Введение к работе
Актуальность исследования
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) можно разделить на две основные группы: с горизонтальной и с вертикальной осью вращения ротора. Для небольших хозяйств и бытовых нужд выгодно использовать вертикальноосевые установки, в частности, ВЭУ с ротором Савониуса, так как они имеют простую конструкцию, не требуют ориентации на ветер и обладают большим начальным моментом. В связи с большим распространением таких ВЭУ на первый план выходят следующие задачи: задача создания каталога типоразмеров роторов, позволяющего определить зависимость выходных (мощностных) характеристик ВЭУ от скорости ветра, диаметра ротора, удлинения лопастей; задача оптимизации конструкции ротора с целью увеличения коэффициента использования энергии ветра и многие другие. Самым распространенным на данный момент методом решения этих задач является продувка опытных образцов роторов в аэродинамических трубах, однако существенно более дешёвым и гибким средством является математическое моделирование.
Целью работы является развитие и применение метода дискретных вихрей для моделирования процесса работы ветроэнергетических установок с роторами Савониуса в динамике.
Задачи исследования:
-
Разработка математической модели аэродинамики и динамики ротора Савониуса в плоской и пространственной постановке с помощью метода дискретных вихрей.
-
Реализация указанной модели в форме программного продукта.
-
Исследование влияния количества, формы лопастей, удлинения ротора намощностные характеристики ветроэнергетических установок с ротором Савониуса при постоянных скоростях ветра.
-
Определение кинематических параметров ротора, нагрузок на элементы ротора и мощностных характеристик ветроэнергетической установки при порыве ветра.
Объектом исследования диссертационной работы являются численные методы решения нелинейных нестационарных задач механики жидкостей и газов.
Предметом исследования являются вертикальноосевые ВЭУ с ротором Савониуса.
Методы исследования
При решении сформулированных в работе задач используются следующие методы: векторный анализ для определения индуцированных скоростей в потоке; метод дискретных вихрей для нахождения аэродинамических нагрузок на лопасти ротора; метод Эйлера для интегрирования дифференциального уравнения вращательного движения ротора.
Научная новизна результатов, полученных в данной работе, заключается в том, что:
а) выполнено развитие метода дискретных вихрей для решения задачи движения ро
тора Савониуса не только в плоской, но и в пространственной постановке, причем уг
ловая скорость ротора не принималась постоянной, а вычислялась на каждом расчет
ном шаге;
б) исследовано влияние удлинения ротора на мощностные характеристики ветроэнер
гетических установок с ротором Савониуса и произведена оценка пределов примени
мости плоской и пространственной постановок задачи;
в) определены кинематические параметры ротора, нагрузки на элементы ротора
и мощностные характеристики ветроэнергетической установки при порыве ветра.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректностью использования адекватных математических моделей, сопоставлением результатов компьютерного моделирования с результатами натурных и численных экспериментов других авторов.
Практическая ценность работы
Разработанная математическая модель может быть использована для проведения численных экспериментов при конструировании ВЭУ с роторами Савониуса с целью экспресс-анализа их мощностных и кинематических характеристик. Предлагаемый комплекс математических моделей может быть адаптирован для расчетов характеристик ВЭУ с роторами более сложной геометрии, например, с роторами Дарье (или оснащенных системой ротор Савониуса - ротор Дарье).
Основные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель движения ротора Савониуса, состоящая из плоской
и пространственной моделей лопастей ротора и модели процесса его обтекания в ди
намике;
пределы применимости плоской и пространственной постановок задачи для определения мощностных характеристик ветроэнергетических установок с ротором Савониуса;
методика определения мощностных характеристик ветроэнергетических установок с ротором Савониуса различной геометрии при постоянной скорости и при порывах ветра.
Реализация результатов работы
Разработанный автором программный продукт был апробирован в отделе главного конструктора по гидротурбинному оборудованию и в расчетно-исследовательском центре ОАО «Тяжмаш» — одном из ведущих российских предприятий, специализирующихся на создании гидротурбинного оборудования и может быть использован для решения различных технических задач, в том числе:
-
моделирования вибраций на рабочих колесах, вызванных неравномерной гидродинамической нагрузкой на лопасти гидротурбин;
-
исследования нелинейных нестационарных процессов обтекания в многолопастных гидротурбинах при изменении радиальных зазоров в проточной части;
-
описания движения потока вокруг неудобообтекаемых тел и определения аэродинамических нагрузок на них для последующих прочностных расчетов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах, в их числе:
V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009» (Казань, 2009), IX Всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского» (Москва, 2010), Всероссийской военно-научной конференции «Военно-исторический анализ строительства армейской авиации, ее место и роль в обеспечении обороноспособности государства» (Сызрань, 2011), XIX Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2011), Всероссийском симпозиуме «Механика и процессы управления» (Миасс, 2011), IV Международной молодежной конференции «Гражданская авиация: XXI век» (Ульяновск, 2012), VI Международной научно-практической конференции «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала — ключевые звенья в возрождении отечественного авиа-ракетостроения» (Казань, 2012), V Международной молодежной конференции «Гражданская авиация: XXI век» (Ульяновск, 2013), X Всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского» (Москва, 2013), XVI Международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (Украина, г. Херсон, 2013), XVI Всероссийском семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов (Самара, 2013).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 в приложении к журналу, рекомендованному ВАК, 11 — в трудах всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора
При выполнении работ, опубликованных в соавторстве, аспирант принимал участие в формулировке подлежащих исследованию проблем и адаптации метода дискретных вихрей к решению поставленных задач. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для реализации численного метода в полном объеме осуществлялась аспирантом. Результаты численных расчетов, изложенные в работе, являются новыми и получены автором самостоятельно.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 153 страницы машинописного текста формата А4 (вместе с приложением), 54 рисунка и 2 таблицы. В приложении имеется копия акта внедрения научных разработок. Список литературы включает 153 источника, из них 117 на русском языке и 36 зарубежной литературы.
Выражаю благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Михайлову Сергею Анатольевичу за содействие и поддержку; к.т.н., доценту Онушкину Юрию Петровичу за неоценимую помощь и постоянное внимание к работе; к.т.н., профессору Шахову Валентину Гавриловичу за ценные замечания.
