Развитие и применение метода дискретных вихрей в задачах аэродинамики и динамики ротора Савониуса

• Автор: Сизов, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Аэродинамика вертикальноосевых ВЭУ на современном этапе
1.1. Численные методы в механике жидкостей и газов
1.2. Эволюция метода дискретных вихрей
1.3. ВЭУ с вертикальной осью вращения и развитие численных методов моделирования их аэродинамики
Глава 2. Аэродинамика и динамика ротора Савониуса
2.1. Структура системы обтекаемых объектов
2.2. Профиль лопастей
2.3. Общая постановка задачи
2.4. Вихревые схемы
2.4.1. Вихревая схема при пространственной постановке задачи
2.4.2. Вихревая схема при плоской постановке задачи
2.5. Индуцированные скорости
2.6. Вычисление циркуляций дискретных вихрей
2.6.1. Система линейных алгебраических уравнений при пространственной постановке задачи и выражения для циркуляций
2.6.2. Система линейных алгебраических уравнений при плоской постановке задачи
2.7. Построение вихревого следа
2.8. Аэродинамические нагрузки
2.9. Динамика ротора
2.10. Выявление и коррекция проникновения вихрей через поверхность лопасти
Глава 3. Реализация численного метода, верификация и методические исследования
3.1. Реализация численного метода
3.2. Верификация программного продукта
3.2.1. Вихревые следы
3.2.2. Поля скоростей
3.2.3. Аэродинамические нагрузки
3.2.4. Дифференциальное уравнение вращательного движения и его интегрирование
3.2.5. Осевой момент инерции
3.2.6. Мощностные характеристики ВЭУ
3.3. Методические исследования
3.3.1. Влияние углового шага
3.3.2. Влияние радиуса вихря
3.3.3. Влияние величины полезного момента сопротивления
Глава 4. Моделирование работы ВЭУ различных конфигураций и расчет нагрузок на их элементы
4.1. Оценка влияния различных параметров на выходные характеристики ВЭУ
4.1.1. Влияние количества лопастей
4.1.2. Влияние формы лопастей
4.1.3. Влияние скорости ветра и удлинения лопастей
4.2. Моделирование ВЭУ с двухъярусным ротором
4.3. Расчет нагрузок на опоры вала ротора
4.4. Определение инерционных нагрузок на лопасти
4.5. Моделирование поведения ВЭУ при резких изменениях скорости ветра
Основные результаты работы и рекомендации
Выводы
Список литературы
Приложение

Введение
По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (VWEA), все ветротурбины, установленные в мире, на конец 2010 года вырабатывали 430 ТВт-ч электроэнергии, что соответствует 2,5% электроснабжения в мире. Мощность мировой ветроэнергетической отрасли достигла 200 000 МВт. Темп роста ветроэнергетики в 2010 году составил 23,6% [43].
На дальнейшее развитие мировой ветроэнергетики существенное влияние оказывают следующие факторы:
- истощение запасов углеводородов, служащих в настоящее время основным источником энергии;
- проблема глобального изменения климата и стремление ведущих экономик мира к использованию технологий, не ведущих к выбросам парниковых газов;
- беспрецедентные убытки, понесенные в результате использования ископаемых углеводородов (разлив нефти в Мексиканском заливе в 2010 г.);
- осознание человечеством глобального риска, связанного с использованием атомной энергии, особенно в связи с крупной катастрофой на атомной станции «Фукусима» в Японии в 2011 г.;
- понимание вклада ветроэнергетики в экономически, социально и экологически устойчивое энергоснабжение стран.
По прогнозам VWEA, к 2015 г. общая установленная ветроэнергетическая мощность в мире составит 600 000 МВт, а к 2020 г. — 1 500 000 МВт. Этот рост будет, несомненно, происходить на фоне непрерывного совершенствования существующих конструкций ветроэнергетических установок и появления новых.

жесткое соединение гондолы и башни ВЭУ и создает возможность появления крутильных колебаний. Гироскопический момент, возникающий при повороте гондолы с вращающимся ветроколесом, достигает существенных значений и требует учета при проектировании, в частности, опор вращения (подшипников).
Второй вид — ВЭУ с вертикальной осью вращения типа Савониуса (рис. 1.1,6) или Дарье (рис. 1.1, в). Рабочими поверхностями, воспринимающими механическую энергию набегающего потока, в этих установках являются лопасти в виде тонкого изогнутого листа (ротор Савониуса), либо профилированные (ротор Дарье).
Основные преимущества вертикальноосевых ветроустановок с роторами Савониуса [42, 141]:
- отсутствие необходимости ориентации на ветер, и, как следствие, простота конструкции, обусловленная отсутствием специальных ориентирующих устройств;
- большой начальный момент (возможность страгивания ротора ВЭУ практически из любого начального азимутального положения при весьма малых скоростях ветра);
- невысокая угловая скорость вращения по сравнению с горизонтальноосевыми ВЭУ, и, следовательно, низкие центробежные нагрузки;
- простота крепления лопастей, что снижает конструктивные требования к ним;
- возможность размещения электротехнического оборудования в основании ВЭУ, что снижает требования к жесткости опоры, а также уменьшает стоимость технического обслуживания и ремонта.