Введение 3
1. Физический принцип работы и теория моделирования движения турбины
ветрогенератора 5
2. Постановка задачи 10
2.1. Управляющая система уравнений 10
2.2. Начальные и граничные условия 10
2.3. Геометрические характеристики турбины 12
3. Построение модели турбины в CAD 14
4. Численная модель 19
4.1. Дискретизация области решения 19
4.1.1. Сведения о cyclicAMI 19
4.1.2. Расчетные сетки и их генерация в пакете OpenFOAM 21
4.1.3. Построение расчетной сетки 28
4.1.4. Характеристики результирующей расчетной сетки 34
4.2. Дискретизация системы уравнений движения 35
4.3. Дискретизация граничных условий 38
4.4. Численное решение 39
5. Результаты 42
Заключение 51
Список литературы 53
Приложение 54
Как известно, запасов традиционных видов топлива таких, как нефть, газ, с каждым годом становится всё меньше, в связи с чем высока потребность обращения к возобновляемым источникам энергии, одним из которых является ветер. В последние десятилетия были созданы большие ветряные электростанции, где энергия вырабатывается с помощью ветровых турбин. Такой способ получения электроэнергии в настоящее время наиболее характерен для Европы [1].
Для увеличения эффективности ветрогенераторы часто объединяют в ветроэлектростанции - большие парки или группы расположенных друг за другом ветряков. Такая конфигурация влечет за собой две основные проблемы: первая заключается в снижении производства энергии из-за дефицита скорости потока, а вторая - в увеличении динамических нагрузок на лопасти из-за более высоких уровней турбулентности, которые возникают из-за наличия вихревых следов находящихся рядом ветрогенераторов. В зависимости от расположения турбин относительно друг друга и условий, связанных с воздушными потоками, потери мощности ветроустановок ниже по потоку могут достигать 40%. При усреднении по разным направлениям ветра потери около 8% наблюдаются для наземных электростанций и 12% для морских [2, 3].
Согласно закону Беца КПД ветрогенератора не может превышать 59,3% [4]. Однако на данный момент энергоэффективность лучших моделей ветряных турбин с горизонтальной осью вращения достигает лишь 40%, а вертикально¬осевые установки в результате экспериментальных исследований показали результат в 40-45%. Это означает, что задача оптимизации ветрогенераторов на сегодняшний день насущна и требует решения, обеспечивающего получение от потоков ветра максимально возможной энергетической прибыли.
Изложенное выше позволяет говорить о практической значимости исследований, связанных с численным моделированием движения ветряных турбин - это и определяет актуальность темы данной работы.
В связи с обозначенными проблемами целью работы является построение трехмерной модели движения трехлопастной турбины ветрогенератора.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить решение следующих задач:
1. Построить трехмерную модель ротора ветрогенератора в системе CAD;
2. Провести дискретизацию трехмерной расчетной области и подготовить расчетную сетку для использования метода AMI;
3. Реализовать численную модель вращающейся турбины с заданной угловой скоростью в пакете OpenFOAM;
4. Провести расчеты и проанализировать результаты.
Методы исследования: численное моделирование на основе МКО.
Практическая значимость состоит в том, что разработанные модели могут быть использованы для расчета реальных ветрогенераторов и их оптимизации.
Научная новизна: в работе проводится прямое численное моделирование вращения турбины, что дает возможность в полной мере исследовать все гидродинамические процессы, происходящие вблизи ротора.
В текущей работе будет рассмотрена модельная задача работы трехлопастной турбины ветрогенератора с горизонтальной осью вращения, имеющей в сечении лопастей по всей длине симметричный аэродинамический профиль NACA0012 (рис. 1), установленный под углом в 10° к плоскости вращения. Расчет будет произведен с использованием открытой интегрируемой платформы для численного моделирования задач механики сплошных сред OpenFOAM.
В текущей работе рассмотрен физический принцип работы ветрогенератора, виды его роторов. Выбрана и построена геометрия модели турбины. Проведена дискретизация расчетной области задачи, при которой было произведено деление на подвижную и неподвижную части. Главной целью данного этапа стояло построение структурированной сетки на лопастях турбины, что и было достигнуто. Произведено численное решение поставленной задачи и приведены результаты исследования.
