1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 12, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 12, стр. 114-125

Математическое моделирование и численное исследование аэродинамического следа за ветротурбиной ульяновского ветропарка

М. И. Корнилова a, *, Ю. А. Хахалев a, В. Н. Ковальногов a, А. В. Чукалин a, Е. В. Цветова a

a Ульяновский государственный технический университет
432027 г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32, Россия

* E-mail: masha.kornilova.1995@mail.ru

Поступила в редакцию 18.10.2022
После доработки 09.06.2023
Принята к публикации 27.06.2023

Аннотация

Поставлена задача моделирования приземного атмосферного пограничного слоя (АПС) в зоне ветротурбины в локации Ульяновского ветропарка. Достоверное и точное прогнозирование эволюции АПС, взаимодействующего с ветропарком, в широком диапазоне пространственных и временных масштабов дает ценную количественную информацию о его потенциальном воздействии на местную метеорологическую обстановку и имеет большое значение для оптимизации как проектирования (размещения турбин), так и эксплуатации ветропарков. Рассматриваются основные проблемы моделирования и численного исследования атмосферного пограничного слоя в комплексе с ветротурбиной. К основным проблемам моделирования относятся: многомасштабность, учет сильно шероховатой неоднородной поверхности, нерегулярность ветра по амплитуде, направлению и частоте, учет конвекции, солнечной радиации, стратификации и фазовых переходов и осадков, генерация турбулентности, выбор метода и инструмента моделирования. Рассматривается проблема многомасштабности исследования системы АПС – ветротурбина, приводится обзор вычислительных технологий для решения задач аэродинамики в масштабах одной установки и ветропарков. Проводится аналитический обзор методов моделирования АПС и его взаимодействия с ветротурбиной. Рассматриваются подходы к исследованию АПС на базе систем уравнений, осредненных по Рейнольдсу, вихреразрешающих моделей, а также прямого численного моделирования, приводятся их достоинства и ограничения для решения задачи исследования системы АПС – ветрогенератор. Описывается математическая модель системы АПС – ветротурбина. Приведены результаты математического моделирования и численного исследования аэродинамики системы АПС – ветротурбина Ульяновского ветропарка, получены и проанализированы численные данные по затуханию аэродинамического следа за ветротурбиной и восстановлению профиля скорости, а также по сопротивлению трения на поверхности лопасти ветроколеса. Выполнен анализ результатов математического моделирования АПС в зоне ветротурбины.

Ключевые слова: ветротурбина, математическое моделирование, численное исследование, атмосферный пограничный слой, модель турбулентности, сопротивление трения, профиль скорости, аэродинамическая характеристика

Список литературы

  1. Безруких П.П. Ветроэнергетика: справ. и метод. пособие. М.: Изд. дом “Энергия”, 2010.

  2. Wu Y.T., Porté-Agel F. Large-eddy simulation of wind-turbine wakes: Evaluation of turbine parametrisations // Boundary-Layer Meteorology. 2011. V. 138. No. 3. P. 345–366. https://doi.org/10.1007/s10546-010-9569-x

  3. Large eddy simulation of wind farm aerodynamics: A review / D. Mehta, A.H. Zuijlen, B. Koren, J.G. Holierhoek, H. Bijl // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 2014. V. 133. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2014.07.002

  4. Bastankhan M., Porté-Agel F. A new analytical model for wind-turbine wakes // Renewable Energy. 2014. V. 70. P. 116–123. https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.01.002

  5. Basu S., Porté-Agel F. Large-eddy simulation of stably stratified atmospheric boundary layer turbulence: A scale-dependent dynamic modeling approach // J. Atmos. Sci. 2005. V. 63. No. 8. P. 2074–2091. https://doi.org/10.1175/JAS3734.1

  6. Anisotropy of turbulence in wind turbine wakes / R. Gómez-Elvira, A. Crespo, E. Migoya, J. Manuel, F. Hernández // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 2005. V. 93. No. P. 797–814. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2005.08.001

  7. Numerical study of the effects of atmospheric and wake turbulence on wind turbine dynamics / M.J. Churchfield, S. Lee, J. Michalakes, P.J. Moriarty // J. Turbul. 2012. V. 13. No. 14. P. 1–32. https://doi.org/10.1080/14685248.2012.668191

  8. On atmospheric stability in the dynamic wake meandering model / R.E. Keck, M. deMaré, M.J. Churchfield, S. Lee, G. Larsen, H.A. Madsen // Wind Energy. 2014. V. 17. No. 11. P. 1689–1710. https://doi.org/10.1002/we.1662

  9. A numerical study of atmospheric and wake turbulence impacts on wind turbine fatigue loadings / S. Lee, M.J. Churchfield, P.J. Moriarty, J. Jonkman, J. Michalakes // J. Solar Energy Eng. 2013. V. 135. No. 3. P. 031001. https://doi.org/10.1115/1.4023319

  10. Окулов В.Л. Роль физического моделирования в развитии роторной аэродинамики (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. 2018. № 25 (1). С. 1–22.

  11. Bastankhah M., Porté-Agel F. Experimental and theoretical study of wind turbine wakes in yawed conditions // J. Fluid Mech. 2016. V. 806. P. 506–541. https://doi.org/10.1017/jfm.2016.595

  12. Dufresne N.P., Wosnik M. Velocity deficit and swirl in the turbulent wake of a wind turbine // J. Marine Technol. Soc. 2013. V. 47. No. 4. P. 193–205. https://doi.org/10.4031/MTSJ.47.4.20

  13. Natural snowfall reveals large-scale flow structures in the wake of a 2.5-MW wind turbine / J. Hong, M. Toloui, L.P. Chamorro, M. Guala // Nature Commun. 2014. V. 5. No. 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/ncomms5216

  14. PIV and LDA measurement soft the wake behind a wind turbine model / I. Naumov, R. Mikkelsen, J. Sorensen, V. Okulov // J. Phys.: Conf. Ser. 2014. V. 524. No. 1. P. 012168. https://doi.org/10.1088/1742-6596/524/1/012168

  15. Эффективность работы роторов ветрогенераторов, оптимизированных по методу Глауэрта и Беца / В.Л. Окулов, Р.Ф. Миккельсен, И.В. Литвинов, И.В. Наумов // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 11. С. 60–64. https://doi.org/10.1134/S1063784215110237

  16. Наумов И.В., Миккельсен Р.Ф., Окулов В.Л. Оценка дальности распространения следа и уровня его пульсаций за роторами ветрогенераторов // Теплоэнергетика. 2016. № 3. С. 54–60.https://doi.org/10.1134/S0040363616030073

  17. Bastanhaha M., Porte-Agel F. Wind farm power optimization via yaw angle control: A wind tunnel study // J. Renewable Sustainable Energy. 2019. V. 11. No. 2. P. 023301. https://doi.org/10.1063/1.5077038

  18. Abdel Salam A.M., Velraj R. Numerical simulation of atmospheric boundary layer and wakes of horizontal-axis wind turbines // J. Energy South Africa. 2014. V. 25. No. 1. P. 44–50. https://doi.org/10.17159/2413-3051/2014/v25i1a2687

  19. Abkar M., Porte-Agel F. Effect of atmospheric stability on wind turbine wakes: A simulation study of large eddies // Phys. Fluids. 2015. V. 27. P. 035104. https://doi.org/10.1063/1.4913695

  20. Крапошин М.В., Стрижак С.В. Предметно-ориентированная библиотека SOWFA для решения прикладных задач ветроэнергетики // Труды ИСП РАН. 2018. Т. 30. Вып. 6. С. 259–274.

  21. Vermeer L.J., Sorensen J.N., Crespo A. Wind turbine wake aerodynamics // Prog. Aero. Sci. 2003. V. 39. No. 6. P. 467–510. https://doi.org/10.1016/S0376-0421(03)00078-2

  22. Kasmi A.E., Masson C. An extended model for turbulent flow through horizontal-axis wind turbines // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 2008. V. 96. No. P. 103–122. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2007.03.007

  23. Стрижак С.В. Математическое моделирование параметров потока одиночной ветроэлектрической установки // Науч. вестник МГТУ ГА. 2016. Т. 19. № 6. С. 176–184.

  24. Беляков П.Ю., Рябов Д.Ю. Математическая модель для исследования характеристик и режимов работы ветроэнергетической установки с крыльчатым ветроприемником // Электротехнические комплексы и системы управления. 2007. № 1. С. 55–58. www.v-itc.ru/electrotech (Дата обращения: 21.06.2022.)

  25. Hewitt S., Margetts L., Revell A. Building a digital wind farm // Arch. Computat. Methods Eng. 2017. V. 25. P. 879–899. https://doi.org/10.1007/s11831-017-9222-7

  26. Lu H., Porté-Agel F. Large-eddy simulation of a very large wind farm in a stable atmospheric boundary layer // Phys. Fluids. 2011. V. 23. No. 6. P. 065101. https://doi.org/10.1063/1.3589857

  27. A large-eddy simulation of wind-plant aerodynamics / M.J. Churchfield, S. Lee, P.J. Moriarty, L.A. Martnez, S. Leonardi, G. Vijayakumar, J.G. Brasseur // 50th AIAA Aerospace Sci. Meeting. Nashville, Tennessee, 9–12 Jan. 2012. https://doi.org/10.2514/6.2012-537

  28. Calaf M., Meneveau C., Meyers J. Large eddy simulation study of fully developed wind-turbine array boundary layers // Phys. Fluids. 2010. V. 22. No. 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1063/1.3291077

  29. Large-eddy simulation of atmospheric boundary layer flow through wind turbines and wind farms / F. Porté-Agel, Y.T. Wu, H. Lu, R.G. Conzemius // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 2011. V. 99. No. 4. P. 154–168. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2011.01.011

  30. Verhulst C., Meneveau C. Large eddy simulation study of the kinetic energy entrainment by energetic turbulent flow structures in large wind farms // Phys. Fluids. 2014. V. 26. No. 2. P. 025113. https://doi.org/10.1063/1.4865755

  31. Козин А.А., Кирпичникова И.М. Анализ группы вертикально-осевых ветроустановок в программном комплексе MATLAB // Альтернативная энергетика и экология (ИСИЭЭ). 2014. № 5. С. 45–49.

  32. Chock G., Cochran L. Modeling of topographic wind speed effects in Hawaii // J. Wind Engi. Ind. Aerodyn. 2005. V. 93. No. 8. P. 623–638. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2005.06.002

  33. Hansen M.O.L. Aerodynamics of wind turbines. L.: Earthscan, 2008.

  34. Лыкосов В.Н. Моделирование процессов взаимодействия атмосферного пограничного слоя с неоднородной подстилающей поверхностью // Школа молодых ученых и междунар. конф. по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде “CITES-2017”. г. Таруса; Звенигород, 28 августа–7 сентября 2017. http://www.scert.ru/ru/ conference/cites2017/ (Дата обращения: 21.06.2022.)

  35. Воронцов П.А. Турбулентность и вертикальные токи в пограничном слое атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1966.

  36. Кожевников В.Н., Беданоков М.К. Нелинейная многослойная модель обтекания произвольного профиля // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 24. № 6. С. 546–556.

  37. Зилитинкевич С.С., Лайхтман Д.Л. О замыкании системы уравнений турбулентного движения для пограничного слоя атмосферы // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. Вып. 167. Физика пограничного слоя атмосферы / под ред. Д.Л. Лайхтмана. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.

  38. Численное моделирование пограничного слоя атмосферы с учетом ее стратификации / А.И. Купцов, Р.Р. Акберов, Д.Я. Исламхузин, Ф.М. Гимранов // Фундаментальные исследования. 2014. № 9–7. С. 1452–1460. https://fundamental-research. ru/ru/article/view?id=35083 (Дата обращения: 17.05.2022.)

  39. Alinot C., Masson C. Aerodynamic simulations of wind turbines operating in atmospheric boundary layer with various thermal stratifications // ASME Conf. Proc. 2002. V. 2002. No. 7476X. P. 206–215. https://doi.org/10.1115/WIND2002-42

  40. Alinot C. Masson C. K-ε model for the atmospheric boundary layer under various thermal stratifications // J. Sol. Energy Eng. 2005. V. 127. No. 4. P. 438–443. https://doi.org/10.1115/1.2035704

  41. Wan F., Porté-Agel F. Large-eddy simulation of stably-stratified flow over a steep hill // Boundary-Layer Meteorol. 2011. V. 138. No. 3. P. 367–384. https://doi.org/10.1007/s10546-010-9562-4

  42. Sagaut P. Large eddy simulation for incompressible flows. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2006.

  43. Large-eddy simulation of spectral coherence in a wind turbine wake / A. Jimenez, A. Crespo, E. Migoya, J. Garcia // Environ. Res. Lett. 2008. V. 3. No. 1. P. 015004. https://doi.org/10.1088/1748-9326/3/1/015004

  44. Martnez-Tossas L.A., Churchfield M.J., Leonardi S. Large eddy simulations of the flow past wind turbines: actuator line and disk modeling // Wind Energy. 2014. V. 18. No. 6. P. 1–18. https://doi.org/10.1002/we.1747

  45. Multiscale approach to micrositingof wind turbines / A. Rasheed, K. Sorli, R. Holdahl, T.A. Kvamsdal // Energy Proc. 2012. V. 14. P. 1458–1463. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.12.1117

  46. O’Sullivan J.P., Pecnik R., Iaccarino G. Investigating turbulence in wind flow over complex terrain // Stanford CTR Summer Program. Stanford University, 24 June–20 July 2010. P. 129–139. http://hdl.handle.net/2292/19204

  47. Blocken B. 50 years of computational wind engineering: Past, present and future // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 2014. V. 129. P. 69–102. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2014.03.008

  48. Calaf M., Meneveau C., Meyers J. Large eddy simulation of fully developed wind-turbine array boundary layers // Phys. Fluids. 2010. V. 22. No. 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1063/1.3291077

  49. Martnez-Tossas L.A., Churchfield M.J., Leonardi S. Large eddy simulations of the flow past wind turbines: actuator line and disk modeling: LES of the flow past wind turbines: actuator line and disk modeling // Wind Energy. 2014. V. 18. No. 6. P. 1047–1060. https://doi.org/10.1002/we.1747

  50. Recommendations for the distribution of body force in wind turbine drive line modeling on simulation-type grids with large vortices / P.K. Jha, M.J. Churchfield, P.J. Moriarty, S. Schmitz // J. Sol. Energy Eng. 2014. V. 136. No. 3. P. 031003. https://doi.org/10.1115/1.4026252

  51. Deep learning for wake modeling of wind turbines / S. Pawar, A. Sharma, G. Vijayakumar, C.J. Bay, S. Yellapantula // Proc. of the 11th Intern. Conf. on Computational Fluid Dynamics (ICCFD11). Maui, Hawai, 11–15 July. 2022.

  52. www.globalwindatlas.info.api.vortexfdc.com (Дата обращения: 03.05.2022.)

  53. Твайделл Д., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990.

  54. https://www.ecmwf.int/ (Дата обращения: 03.05.2022.)

  55. ГОСТ Р 54084-2010. Модели атмосферы в пограничном слое на высотах от 0 до 3000 м для аэрокосмической практики. Параметры. М.: Стандартинформ, 2013.

  56. Ковальногов Н.Н. Прикладная механика жидкости и газа. Ульяновск: УлГТУ, 2010.

  57. Математическое моделирование и численное исследование атмосферного пограничного слоя в окрестности ветропарков / В.Н. Ковальногов, Ю.А. Хахалев, Л.В. Хахалева, Е.В. Цветова // Автоматизация процессов управления. 2021. № 3(65). С. 33–40.

  58. Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009.

  59. https://en.wind-turbine-models.com/turbines/1249-vestas-v126-3.45 (Дата обращения: 09.10.2022.)

  60. Управление обтеканием толстого профиля с вихревой ячейкой со щелевым отсосом воздуха и выбросом в ближний след / С.А. Исаев, П.А. Баранов, М.Ю. Смуров, А.Г. Судаков, А.В. Шебелев // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23. № 5. С. 665–669.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал