ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ни у кого уже нет сомнений в том, что использование солнечной, ветровой и других видов энергии будет непрерывно возрастать.Теория ветродвигателей, развивающаяся несколько десятилетий, еще далека от своего завершения. Более того, можно сказать, что не существует достаточно точных и надежных методов аэродинамического расчета ветроагрегатов.

Следует отметить, что темпы развития ветроэнергетики далеко не соответствуют возможностям, достигнутым в области современного машиностроения, и, самое главное, далеки от удовлетворения запросов потребителей. Это обусловлено несколькими причинами. На первое место среди причин технического характера можно поставить общий недостаток всех ветроустановок: низкий запас кинетической энергии, приходящейся на единицу объема рабочего тела, т.е. атмосферного воздуха. Построение единичных ветроагрегатов большой мощности представляет собой сложную инженерную задачу. Более того, стоимость 1 кВт⋅ч энергии, производимого ветродвигателем, существенно выше стоимости энергии, получаемой за счет сжигания жидкого топлива и энергии атомных электростанций.

Следующим отрицательным фактором в системе использования ветровой энергии является неравномерность ее поступления, обусловленная наличием периодов затишья. Есть и другие моменты негативного характера. Вместе с тем применение энергии ветра имеет много преимуществ. И прежде всего ее потенциальные запасы соизмеримы, а теоретически превосходят суммарную мощность всех работающих электростанций.

Энергия ветра относится к числу возобновляемых. Источник данной энергии неисчерпаем до тех пор, пока существуют солнечная радиация и атмосфера.

Важным достоинством ветроагрегатов является то, что они относятся к числу наиболее чистых с экологической точки зрения источников энергии.

Современные ветродвигатели довольно просты в обслуживании. Они могут быть установлены в любых отдаленных районах, куда трудно доставить топливо или другие источники энергии. Все перечисленные выше факторы могут стать решающими в определении перспектив энергетики будущего. Дальнейшее развитие ветроэнергетики невозможно без широкого развития научных исследований в данном направлении

Вплоть до конца XIX века исследования Д. Бернулли, Л. Эйлера, Даламбера и других известных ученых не выходили за рамки общего рассмотрения течения воздуха в окрестности ветроколеса. Первые попытки аналитического описания течения, близкого по характеру к тому, которое реализуется при обтекании лопасти ветроколеса, были связаны с исследованиями гребного винта[1].

В начале XX века, бурно развивавшиеся кораблестроение и воздухоплавание потребовали совершенных и надежных теоретических и экспериментальных данных от аэрогидродинамиков. Основным аэродинамическим элементом ветродвигателя является, как известно, лопасть с характерным поперечным сечением (профилем). В связи с этим развитие теории профиля крыла, начало которому было положено в работах Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина, помогло создать прочную основу современной аэродинамики ветродвигателей.

В дальнейшем исследования были сосредоточены на поиске способов учета очень сложных реальных явлений, связанных с процессами обтекания ветроколеса, таких как трение, концевые эффекты и т.п. В послевоенное время активное развитие вертолетостроения способствовало расширению знаний в теории винта.

В последней четверти двадцатого столетия вопросы аэродинамики ветродвигателей были обобщены и изложены в ряде публикаций [2, 3]. Развитию теоретических исследований способствуют регулярно проводимые конференции по возобновляемым источникам энергии. Можно считать, что к настоящему времени классическая теория ветродвигателя близка к своему завершению. Ее использование позволило решить ряд новых задач, включая отдельные вопросы оптимального проектирования. Тем не менее классическая теория идеального и реального ветродвигателя может рассматриваться только первым приближением в изучении сложной физической картины течения газа в окрестности рабочих элементов ветроагрегата. Она не применима для исследования ортогональных ветродвигателей.

Наиболее эффективным путем дальнейшего изучения проблемы является применение численных методов решения и анализа системы исходных дифференциальных уравнений и соответствующих начально-краевых задач, отражающих нестационарный характер течения газа и его взаимодействия с основными рабочими органами. При этом, зачастую, уже нельзя ограничиваться предположениями о том, что поток является потенциальным, невязким и т.п.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В данной работе приводится методика аэродинамического расчета вихревого движения потока в вихревой ветротурбине(рисунки 1, 2).

Размеры концентратора воздушного потока: =1 –радиус внутреннего цилиндра; =2 – радиус внешнего цилиндра; H=2 – высота внешнего цилиндра; L=2 – длина одного канала воздушного концентратора; h=4 – высота внутреннего цилиндра;α– изменяемый угол искривления набегающего канала.

Турбулентность возникает вследствие неустойчивостей ламинарного течения в каналах концентратора воздушного потока, и ее характер определяется геометрией течения. Неустойчивости приводят к образованию волнообразных структур, которые могут поглощать энергию из основного потока. По мере их роста энергия вследствие нелинейных эффектов будет передаваться к другим формам возмущений, и возникают неупорядоченные пульсации, которые обычно рассматривают как проявление турбулентности.

Характеристики полностью развитой турбулентности всегда до некоторой степени отражают природу ее происхождения. Поскольку для поддержания турбулентности требуется непрерывный подвод энергии, необходимо чтобы турбулентные структуры могли поглощать энергию из основного потока. Характеристики последнего изменяются при наличии турбулентности, однако поглощающие энергию структуры имеют сходство со структурами, из которых образовалось турбулентность [4].

Рисунок 1– Трехмерное изображение концентратора воздушного потока

Таким образом, в турбулентном течении крупномасштабные структуры поглощают энергию основного потока. Они становятся сильно анизотропными, завихренными и существенно различаются от течения к течению; именно они в наибольшей степени определяют характер процессов переноса в турбулентных течениях. Кроме того, основным механизмом генерации энергии является деформация вихрей. Посредством нелинейных взаимодействий крупномасштабные структуры передают часть своей энергии мелкомасштабным структурам, и основная функция этих мелкомасштабных структур состоит в диссипации энергии, подводимой к более крупномасштабным структурам. С другой стороны, известно, что характеристики мелкомасштабных структур определяются почти всецело количеством энергии, которое необходимо в них диссипировать. По этой причине они являются более универсальными, чем крупномасштабные структуры [5].

Рисунок 2–Концентратор воздушного потока, вид сверху

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: