Инженеры Массачусетского технологического института разработали комплексную физическую модель, которая точно отображает поток воздуха вокруг роторов даже в экстремальных условиях, например, когда лопасти работают с большими усилиями и скоростями или наклонены в определенных направлениях.
Модель может улучшить способ проектирования роторов, а также то, как ветряные электростанции размещаются и эксплуатируются. Она была описана в журнале Nature Communications в статье с открытым доступом постдока MIT Хайме Лью, докторанта Кирби Хека и Майкла Хоуленда, доцента кафедры гражданского и экологического строительства.
В настоящее время лопасти проектируются на основе принципов аэродинамики, которые впервые были описаны математически более века назад, и они не работают во всех ситуациях, поэтому на основе эмпирических наблюдений были добавлены поправочные коэффициенты.
«Мы разработали новую теорию аэродинамики роторов», — говорит Хоуленд. Эту теорию можно использовать для определения сил, скоростей потока и мощности ротора, независимо от того, извлекает ли этот ротор энергию из воздушного потока, как в ветряной турбине, или прикладывает энергию к потоку, как в пропеллере корабля или самолета. Теория работает в обоих направлениях», — говорит он.
Чтобы разработать новую модель, команда проанализировала взаимодействие воздушного потока и турбин, используя детальное компьютерное моделирование аэродинамики.
Они обнаружили, что, например, исходная модель предполагала, что падение давления воздуха сразу за ротором быстро вернется к нормальному давлению окружающей среды на небольшом расстоянии вниз по потоку. Но оказывается, говорит Хоуленд, что по мере того, как сила тяги продолжает расти, это предположение становится все более неточным.
До сих пор, говорит Хоуленд, даже операторы ветряных электростанций, производители и проектировщики лопастей турбин не имели возможности предсказать, насколько сильно выходная мощность турбины будет зависеть от заданного изменения, например, угла наклона к ветру, без использования эмпирических поправок. «Это потому, что для этого не было теории. Вот над чем мы здесь работали. Наша теория может напрямую сказать вам, без каких-либо эмпирических поправок, впервые, как на самом деле следует эксплуатировать ветряную турбину, чтобы максимизировать ее мощность».
Исследователи вывели свою новую модель, которую они называют единой моделью импульса, на основе теоретического анализа, а затем проверили ее с помощью моделирования вычислительной гидродинамики. В последующей работе, которая еще не опубликована, они проводят дальнейшую проверку с использованием аэродинамической трубы и полевых испытаний.
Поскольку режимы течения жидкости схожи, модель применима также к гребным винтам, как для самолетов, так и для кораблей, а также к гидрокинетическим турбинам, таким как приливные или речные турбины.
Новая теория существует в форме набора математических формул, которые пользователь может включить в свое собственное программное обеспечение, или в виде программного пакета с открытым исходным кодом, который можно бесплатно загрузить с GitHub.
Работа была поддержана Национальным научным фондом и Siemens Gamesa Renewable Energy.
В более ранней статье, опубликованной в 2022 году, Хоуленд и его команда обнаружили, что намеренное небольшое смещение некоторых турбин относительно входящего потока воздуха внутри ветряной электростанции значительно повышает общую выходную мощность ветряной электростанции за счет снижения возмущений в спутной струе для расположенных ниже по потоку турбин.
.jpg)
