ЗМІСТ

2

Вступ

Актуальність теми. Людство з прадавніх часів експлуатує енергію

переміщення повітряних мас. Упродовж віків вітер використовувався як

потужна сила що змушувала рухатися кораблі, качати воду і молоти зерно.

Але в середині 20 століття широке використання енергії вітру припинилось з-

за інтенсивного розвитку атомної енергетики та широкого застосування

такого енергетичного ресурсу як нафта. І лише після того, як світ пережив

кілька екологічних катастроф і нафтових криз, намітився серйозніший підхід

до поновлюваних і екологічно чистих джерел енергії. Держави світу

звернули свою увагу на екологічно чисту і невичерпну силу вітру, і надали

фінансову підтримку, що дало новий поштовх для розвитку технологій

використання енергії вітру. Зусилля були сконцентровані на застосуванні

вітру в першу чергу для виробництва електроенергії.

За оцінками вчених на сьогодні вітроенергетика є самим економічно

ефективним, екологічно чистим і територіально вигідним з усіх напрямів

енергетики, що базуються на поновлюваних джерелах енергії. У сучасних

вітрогенераторів витрати на експлуатацію і технічне обслуговування не

перевищують $0,01 за 1 кВт годину.

Об’єктом дослідження вітроенергетичні установки з вертикальною

віссю обертання.

Предмет дослідження – динамічні характеристики.

Метою дослідження розрахунок швидкостей повітряного потоку та

надлишкового тиску в області обтікання ротора вітрогенератора.

Для цього розв’язувались такі задачі:

- створення фізичної моделі задачі;

- створення математичної моделі задачі;

- аналіз отриманих результатів.

Метод дослідження. В роботі для постановки задачі використано

основні закони механіки, метод скінченних елементів, програма FEMAP.

3

Новизна отриманих результатів полягає в комп’ютерному

моделюванні обтікання повітряним потоком вітроустановок Савоніуса та

Дар’є.

Практичне значення. Аналіз обтікання повітряним потоком ротора

вітрогенератора дає змогу встановити області максимальних швидкостей і

тисків, що дає уявлення про навантаження, що сприймається

вітроустановкою. Це в свою чергу можна використати для раціонального

підбору матеріалу, розмірів та розробки рекомендацій умов експлуатації.

4

Розділ 1. Огляд вітрових установок

1.1. Вітер як джерело енергії

Вітер в приземному шарі утворюється внаслідок нерівномірного

нагрівання земної поверхні Сонцем. Оскільки поверхня Землі неоднорідна,

то навіть на одній і тій же широті суша і водні простори, гори і лісові масиви,

пустелі і болотисті низини нагріваються по-різному. Протягом дня над

морями і океанами повітря залишається порівняно холодним, оскільки значна

частина енергії сонячного випромінювання витрачається на випаровування

води або поглинається нею. Над сушею повітря прогрівається більше,

розширюється, знижує свою масову щільність і спрямовується в більш високі

шари над землею. Його заміщують більш холодні, а отже, більш щільні

повітряні маси, що розташовувалися над водними просторами, що і

призводить до виникнення вітру як спрямованому переміщенню великих мас

повітря. Ці місцеві вітри, утворюються в прибережних зонах, носять назву

бризів. Річні зміни температури в берегових районах великих морів і океанів

викликають циркуляцію більшого масштабу, ніж бризи, звані мусонами.

Вони діляться на морські та материкові, відрізняються, як правило, великими

швидкостями і протягом ночі змінюють свій напрямок. Аналогічні процеси

відбуваються в гористих місцях і долинах внаслідок різних рівнів нагріву

екваторіальних зон і полюсів Землі і багатьох інших факторів. Характер

циркуляції земної атмосфери ускладнюється внаслідок сил інерції, що

виникають при обертанні Землі. Вони викликають різні відхилення

повітряних течій, утворюється безліч циркуляції, більшою чи меншою мірою

взаємодіючих між собою.

Сила і напрямок вітру в різних зонах по-різному змінюються залежно

від висоти над поверхнею Землі. Так, на екваторі близько до земної поверхні

розташована зона з відносно невеликими і змінними за напрямом

швидкостями вітру, а у верхніх шарах виникають досить великі за швидкістю

повітряні потоки в східному напрямку. На висоті від 1 до 4 км від поверхні

5

Землі, в зоні між 30° північної і південної широт утворюються достатньо

рівномірні повітряні течії, звані пасатами. У північній півкулі ближче до

поверхні Землі їх середня швидкість становить 7-9 м/с.

Навколо зони зниженого тиску утворюються великомасштабні

циркуляції повітряних мас – в північній півкулі проти напрямку руху

годинникової стрілки, а в південному – у напрямку її руху. Внаслідок нахилу

23,5° осі руху Землі до площини її обертання щодо Сонця відбуваються

сезонні зміни теплової енергії, одержуваної від нього, величина яких

залежить від сили і напряму вітру над певною зоною земної поверхні.

На відносно великій висоті над поверхнею Землі (у середньому 8-12

км) у тропосфері виникають досить рівномірні і потужні повітряні течії, що

отримали назву струменеві. Їх утворення викликано особливостями висотної

атмосферної циркуляції, тому характеристики струменевих течій істотно

відрізняються від параметрів приземного вітру.

Таким чином, теплова енергія, безперервно надходить від Сонця,

перетворюється в кінетичну енергію руху в атмосфері величезних мас

повітря, циркуляція яких і називається вітром.

1.2. Історія виникнення вітрових установок

Вперше енергія вітру була використана, мабуть, для пересування

вітрильних суден, а пізніше – також для підйому води і розмелювання зерна.

Перші вітряні двигуни, за припущенням – з вертикальною віссю обертання,

були побудовані більше 2 тис. років тому. Вавилоняни ще до нашої ери

використовували їх для осушення боліт, в Єгипті, на Близькому Сході, в

Персії будували вітряні водопідйомники і млини. До теперішнього часу в

деяких країнах басейну Середземного моря можна зустріти вітряні млини з

крилами, що мають поперечні вітрила.

У ХIV столітті голландці широко використовували вітряні млини для

осушення боліт і озер. На початку ХVII ст. велика частина території

осушувалися за допомогою вітроустановок потужністю до 30-35 кВт. У цей

6

же період з’явилися вдосконалені конструкції млинів і нові вітряні двигуни,

які використовували для приводу машин папероробних фабрик, лісопилок та

інших пристроїв. У 30-х роках ХVIII ст. у Голландії працювали 1200

вітроустановок, які охороняли 2/3 країни від зворотного перетворення на

болота. Перше виклад теорії вітродвигуна відносять до початку ХVIII ст. У

більш систематизованому вигляді вона з’явилася в кінці ХIХ ст. в Америці і

Європі.

Конструкції перших вітряних млинів в Росії були, мабуть, запозичені в

Німеччині, і їх називали німецькими. До початку ХVIII ст. число млинів

стало значним, і їх застосування придбало державне значення. Багато чого

для їх розповсюдження в Росії зробив Петро I. У ХVIII-ХIХ ст. млини

споруджувалися практично повсюдно, і до початку першої світової війни в

Росії експлуатувалося понад 200 тис. млинів, які щорічно перемелювали 2/3

всього товарного зерна.

До середини минулого сторіччя в США експлуатувалося майже 6 млн.

малопотужних вітродвигунів для підйому води, вироблення електроенергії та

виконання інших простих робіт. Понад 150 тис. установок налічується в

США і сьогодні.

У Росії поряд з кустарними млинами на початку минулого століття

почалося виготовлення в заводських умовах (у майстернях) тихохідних

багато лопатеве дерево-металеві вітродвигунів системи інженера

В.П. Давидова, які застосовували головним чином для механізації підйому

води. Деяке число вітродвигунів завезли з Німеччини, Франції та США, де їх

виробництво було налагоджено дещо раніше. В основному випускалося

багато лопатеву двигуни, але вони вже були забезпечені системами

автоматичного регулювання швидкості обертання і потужності,механізмами

орієнтації вітроколеса за напрямком потоку. Сумарний річний випуск в

основних промислово розвинених країнах становив сотні тисяч двигунів.

Пізніше, на початку нашого століття, ряд країн (США, Франція, Німеччина,

Австралія, Великобританія і інші) почав в значних кількостях випускати на

7

заводах також і більш досконалі за конструкцією і економічні швидкохідні

вітроагрегати, призначені в першу чергу для отримання електричної енергії.

Їх використовували для освітлення невеликих і віддалених об’єктів і зарядки

акумуляторних батарей. У нашій країні широкий розвиток науково-дослідних

і дослідно-конструкторських робіт у галузі вітроенергетики почалося

буквально з перших днів Радянської влади. Перша в світі вітряна

електростанція була спроектована і побудована саме в Криму. Не в Англії,

Німеччині та США, що сьогодні вважаються лідерами з приборканню вітру, а

на території Автономної Республіки Крим. Подальший розвиток

продовжувався і в роки великих вітчизняних війн і по сьогодні являє собою

актуальну тему для розвитку.

1.3. Вітрові установки

Впродовж року на планету надходить енергії в 15 тис. разів більше від

обсягів нинішнього споживання всіма країнами світу. На енергію вітру

перетворюється близько 3% енергії сонячного випромінювання, а отже,

ресурси енергії вітру на Землі приблизно у 50 разів більші за сумарні

енергетичні потреби людства.

Енергію вітру людина використовує з незапам’ятних часів, спочатку це

був парус, потім вітровий млин. Сучасні вітряки, що виробляють електрику,

з’явились лише в ХХ столітті. У 30-х роках у Криму була побудована

найбільша вітрова електрогенеруюча установка (ВЕУ) потужністю 100 кВт,

незабаром була спроектована ВЕУ потужністю 5 тис. кВт, але війна

перервала цей проект. Перші дві ВЕУ сучасної конструкції потужністю 100

кВт з’явилися в Данії в період між світовими енергетичними кризами 1973

та 1979 років. Інтенсивному розвитку вітроенергетики великою мірою

сприяла її комерціалізація та державна підтримка, у першу чергу, правова.

Сучасні ВЕУ мегаватного класу потужності за термін їх експлуатації

спроможні до 3-4 разів повернути затрачені на них кошти.

Найчастіше суспільству нав’язується думка, що вітроенергетика має

8

вкрай малий потенціал, що вона неконкурентоспроможна, потребує великих

площ, розлякує і нищить птахів, негативно діє на людей і тварин, генеруючи

інфразвук тощо. Спробуємо заперечити кожну із цих тез. Із нетрадиційних

джерел енергії кращі в порівнянні з вітроенергетикою економічні результати

можуть забезпечити лише ГЕС середньої та великої потужності, та й то не

завжди. У тих країнах, де в собівартості враховуються повні витрати, тобто

на функціонування АЕС і ТЕС не надається відкритих і прихованих субсидій

чи дотацій із державного бюджету, як це робиться в Україні, економічні

результати свідчать на користь вітроенергетики. Так в США собівартість

електрики, виробленої на АЕС, становить 10-11 центів/кВт год., ТЕС – 9-10

центів/кВт год., ВЕС – 4-5 центів/кВт год.

ВЕУ потужністю 2-3 мегавата потребує ділянки 20х20 м. Оскільки такі

ВЕУ не потребують об’єднання в систему, то ділянку можна підібрати будь-

де. Розосередженість ВЕУ наближує джерело електроенергії до споживача.

Дослідження засвідчили, що сучасні ВЕУ мегаватного класу не нищать

птахів, бо будь-який птах добре бачить вітроколесо, яке обертається зі

швидкістю 2-30 об/хв. Навіть українська статистика експлуатації близько 700

ВЕУ потужністю 107,5 кВт, вітроколесо яких обертається зі швидкістю 72

об/хв, з 1993 року не зафіксувала випадків знищення птахів.

Щодо інфразвуку слід зазначити, що він може виникнути в разі де

балансу вітрового колеса при швидкості обертання, більшій за 180 об/сек.

Оскільки навіть ВЕУ потужністю 100 кВт мають меншу швидкість

обертання, то джерелом інфразвуку бути не можуть. Лише ВЕУ потужністю

менше 20 кВт принципово можуть генерувати інфразвук, але установка з

незбалансованим вітроколесом практично недієздатна, бо швидко

виходитиме з ладу через вібраційні навантаження.

Середньорічний приріст світової вітроенергетики становить в

середньому 26-27% і є найвищим у порівнянні з іншими джерелами енергії.

На кінець 2005 року загальна потужність світового вітроенергетичного парку

досягла 59 322 МВт, за 30 років розвитку вона зросла майже у 30 тис. разів.

9

Приріст потужності світового парку ВЕС за 2005 рік становив 11 769 МВт

(25%). За подібних темпів приросту в 2006 році потужність світового парку

ВЕС перевищить 70 тис. МВт, що дозволить забезпечити електрикою

близько 300 млн. населення.

Прогнозується, що після 2010 року електроенергією, виробленою

вітроенергетичними парками, буде користуватися 80% населення ЄС, а до

2025 року завдяки таким паркам в Німеччині буде виведено із експлуатації

80% потужностей АЕС. До 2050 року Німеччина планує генерувати 50%

електроенергії шляхом використання енергії вітру. Данія таке завдання

збирається вирішити до 2030 р. За попередніми даними, в 2005 році Іспанія

збудувала ВЕС на 2500 МВт. Її парк нині перевищує 10 700 МВт. За п’ять

наступних років Іспанія планує задіяти ще 12 тис. МВт. Вітроенергетика

Великої Британії подолала межу в 1 тис. МВт. Загалом в Британії діють 1237

ВЕУ сумарною встановленою потужністю 1038 МВт. Британська

вітроенергетична асоціація за кликала уряд прийняти зобов’язання щодо

виробництва 20% електроенергії за рахунок відновлюваних джерел енергії до

2020 року. Згідно із прогнозом асоціації, сумарна потужність офшорних ВЕС,

малих вітроустановок, електростанцій, що використовують енергію хвиль та

припливів, на той час досягне 28 тис. МВт, що складе 21% від планованого

обсягу енергії, необхідного Сполученому Королівству.

1.4. Класифікація вітрових установок

Вітрові установки можна розділити на два великих класи – лінійні

(мобільні) і циклічні (стаціонарні).

До лінійних вітрових установок відносяться класичні вітрила і крила. Їх

можна використовувати тільки для приведення в рух транспортних засобів,

оскільки роботу вони можуть здійснювати лише при переміщенні в просторі.

Причому без пере налаштування це переміщення завжди буде лінійним – за

напрямком вітру або під деяким кутом до нього. А остільки їх конструкція

досить жорстка і звичайно допускає лише досить обмежені можливості

10

налаштування, то і переміщуватися вони можуть тільки разом з тим

об’єктом, на якому вони встановлені або частиною якого вони є. Встановлені

стаціонарно, такі пристрої, безумовно, також будуть зазнавати вплив вітру,

однак вони не здійснюють роботу, оскільки залишаються на місці. В силу

таких особливостей їх ще можна назвати мобільними.

Саме ці риси обмежують область використання цього класу вітрових

установок мореплаванням і спортивно-розважальними застосуваннями.

Циклічні вітрові установки можуть генерувати корисну роботу

стаціонарно, залишаючись на одному місці. Рухаються тільки їх робочі

елементи, які під дією потоку повітря переміщуються по замкнутій

траєкторії, здійснюючи циклічні рухи. Саме цей клас вітрових установок

заслуговує розгляду в першу чергу, оскільки може використовуватись не

тільки для переміщення транспортних засобів, отримуючи механічну форму

енергії, але і для безпосереднього вироблення найбільш універсального і

зручного для використання виду енергії – електрики. До цього класу

відносяться різні вітроустановок – починаючи з крил класичного вітрового

млина і закінчуючи сучасними роторними конструкціями з вертикальною

віссю.

В свою чергу, вітроустановки можна розділити на пристрої з

горизонтальною і вертикальною віссю обертання, швидкохідні і тихохідні.

Вони істотно відрізняються за своєю конструкцією і ефективністю

використання енергії вітру.

Рис. 1. Види циклічних вітрових установок: 1 – швидкохідний з горизонтальною віссю обертання, 2 – тихохідний з горизонтальною віссю обертання, 3 – з вертикальною віссю обертання чашкового типу (використовується в анемометрах), 4 – з вертикальною віссю обертання роторного типу.

11

Вітрові установки з горизонтальною віссю обертання, як правило,

мають постійну орієнтацію робочих поверхонь відносно потоку повітря і

можуть збирати енергію вітру зі всієї площі розмаху обертання елементів.

Зниження ефективності відбору енергії ближче до осі обертання з-за

зменшення лінійної швидкості переміщення елементів можна

компенсуватися зміною кута нахилу робочої поверхні елемента до потоку

повітря в порівнянні з дальшими ділянками елементів, де лінійні швидкості

вищі.

Однак у цієї схеми є і недоліки. По-перше, для ефективної роботи вісь

обертання повинна бути зорієнтована точно за напрямом потоку повітря.

Тому робоче колесо не лише повинне постійно обертатися у вертикальній

площині, але і іноді (при зміні напрямку вітру) повертатися в горизонтальній

площині. Наявність двох осей обертання ускладнює конструкцію і знижує її

надійність, – адже вітряк повинен витримувати не тільки робочі зусилля, але

і екстремальні навантаження при штормових поривах вітру.

По-друге, при розміщенні декількох подібних пристроїв в одній

площині повністю використати весь повітряний потік не вдасться –

приблизно четверть його попадає на проміжки між площами розмаху

елементів коліс, і проходить даремно.

На рисунку двигуни з горизонтальною віссю показані без «оперення»,

орієнтуючого їх за вітром. Це не випадковість. У сучасних конструкціях

орієнтація звичайно здійснюється за рахунок вітрового опору самого колеса,

яке розміщується не з навітряного, а з підвітряного боку відносно

вертикальної осі. На рисунку це відповідає вітру, що дме справа наліво.

Найбільш ефективними часто вважають швидкохідні горизонтальні

установки – з декількома вузькими лопатями, профіль яких близький до

профілю лопатей літакового пропелера. Проте їх ефективність повною мірою

проявляється лише при високих швидкостях повітряного потоку – 10-15м/с і

вище. Завдяки відносно невеликій площі лопатей вони не надто чутливі до

сильних поривів вітру, однак з тієї ж причини в принципі не можуть зібрати

12

всю енергію вітру, що проходить через площу, яка обмахується лопатями, –

частинки повітря, що проходять у великі проміжки між лопатями, не

взаємодіють з ними, і їх енергія не використовується безпосередньо

(максимум, що можна від них отримати – це непрямий влив, що полягає в

тому, що своєю присутністю вони не дають розлітатися в сторони молекулам

повітря, які безпосередньо взаємодіють з лопатями, так швидко, як це сталося

б у вакуумі). Найбільш ефективними вважаються трилопатеві колеса – у них

кожна лопать працює з найбільшою віддачею. У кращих конструкцій

промислового виготовлення КВЕВ може досягати 25..30%. Здавалось б,

цього не може бути – адже відношення площі лопатей до площі розмаху

набагато менше, – але тут справа полягає у складній взаємодії лопаті з

повітряним потоком, що в кінці кінців зводиться до непрямого впливу

віддалених від лопаті областей потоку. Для забезпечення такої взаємодії

необхідний ретельно розрахований і не менш ретельно виготовлений профіль

лопаті, тому для конструкцій цього типу непоганим результатом вважається

досягнення КВЕВ хоча б в 15..20%. Іншою необхідною умовою подібної

взаємодії є досить вузький робочий діапазон співвідношень швидкостей

обертання лопаті і швидкості набігаю чого потоку.

В реальній експлуатації всі ці особливості приводять до того, що при

слабкому вітрі подібні вітроколеса практично не взаємодіють з повітряним

потоком і, відповідно, стоять на місці. Окрім того, навіть при досягненні

вітром номінальної швидкості запуск колеса ускладнений, оскільки воно ще

не обертається і не виконується оптимальне співвідношення швидкостей

вітру і лопаті. У зв’язку з цим практично обов’язковим елементом таких

вітроустановок є пристрої, що забезпечують відключення навантаження

(генератора) від вала вітроколеса в момент запуску до досягнення колесом

певної швидкості обертання. Іноді їх навіть оснащують спеціальним

мотором-стартером для початкового розкручення вітроколеса. Аналогічна

ситуація виникає і при короткочасних послабленнях вітру або при

уповільненні обертання вала внаслідок зростання навантаження –

13

відношення швидкостей лопаті і повітря стає неоптимальним, відбувається

зрив потоку з лопаті, КВЕВ падає в рази і колесо, навіть якщо не зупиниться

остаточно, буде працювати в зовсім неефективному режимі. Так що і тут

необхідно знімати навантаження з вала, щоб дати колесу знову набрати

швидкість і повернутися в робочий режим. Нарешті, зрив потоку з лопатей

може відбутися не лише при ослабленні, але при надто різкому підсиленні

вітру, хоча в цьому випадку подібне явище може бути і благом, оскільки не

дозволить колесу розігнатися надто швидко. Взагалі, використання подібних

вітроколіс виправдане лише в тих в місцях, де майже завжди дме сильний

рівний вітер. При поривчастому вітрі, навіть досить сильному, значну

частину часу їм доведеться «ловити режим» з відключеним навантаженням.

Ще одна неприємна особливість швидкохідних вітроколіс полягає в

тому, що тангенціальна швидкість кінців їх лопатей у багато разів перевищує

швидкість вітру і може складати десятки метрів в секунду. В результаті

навіть при не дуже сильному вітрі їх робота супроводжується значним

аеродинамічним шумом.

Слід зазначити, що збільшення кількості лопатей знижує віддачу з

кожної лопаті, але підвищує загальну віддачу вітроколеса і стабільність його

взаємодії з повітряним потоком. Але необхідність високої точності

виготовлення лопатей швидкохідних вітроколіс робить їх надто дорогими, і

тому додавання кожної лопаті помітно збільшує вартість установки. Коли

площа лопатей починає складає значну частину площі розмаху, таке колесо

по суті переходить в розряд тихохідних, а там до лопатей пред’являються

дещо інші, не такі жорсткі вимоги.

Тихохідні горизонтальні установки традиційно вважаються менш

ефективними, але при слабких вітрах їх ефективність помітно вище, чим у

швидкохідних, оскільки площа лопатей перекриває якщо не всю площу

розмаху, то більшу її частину. В результаті міра їх взаємодії з повітряним

потоком досить мало залежить як від його швидкості, так і від відхилення

профілю лопатей від ідеалу, і нема великої потреби в облаштуваннях

14

відключення навантаження при запуску колеса, або при різкій зміні сили

вітру, або при зростанні зусилля на валу. І похибки профілю при

виготовленні лопатей тут впливають на ефективність менше, ніж у

швидкохідних варіантів. Більше того, на відміну від швидкохідних

установок, у тихохідних конструкціях з великою площею лопатей зменшення

швидкості обертання при зростанні навантаження може приводити не до

зриву потоку із зупинкою колеса, а до збільшення відбору потужності у

повітряного потоку. Однак з цим пов’язаний і головний недолік подібних

конструкцій – дуже велика парусність, що робить їх уразливими до сильних

поривів вітру і вимагає спеціальних захисних елементів, які б знімали вітрове

перенавантаження в подібних випадках (наприклад, складали лопаті або

повертали їх уздовж повітряного потоку).

Ще один плюс тихохідних коліс – це відносно мала швидкість їх

обертання, так що тангенціальна швидкість кінців лопатей порівняна зі

швидкістю вітру. Це знижує рівень аеродинамічного шуму під час роботи.

Вітрові установки з вертикальною віссю обертання мають меншу

ефективність, чим горизонтальні, оскільки у них, як правило, лише половина

перерізу потоку набігаю чого повітря працює з користю, потрапляючи на

область робочого ходу колеса. Друга половина колеса здійснює зворотній

хід, коли робочі елементи рухаються проти потоку. Але у таких є перевага,

що часто відіграє рішучу роль при виборі типу вітряка – вони нечутливі до

того, з якої сторони дме вітер, тому мають тільки одну жорстко фіксовану

вісь обертання. Це відразу набагато спрощує конструкцію і підвищує її

надійність і довговічність.

Як правило, швидкість кінців лопатей у вітроустановках з

вертикальною віссю зазвичай лише ненабагато перевищує швидкість вітру,

тому рівень аеродинамічного шуму у них не високий.

Крім того, для цього типу установок неважко забезпечити прямокутний

робочий переріз відносно горизонтального потоку повітря, і тому декілька

таких вітроустановок можуть повністю перекрити весь переріз повітряного

15

потоку, частково компенсуючи нижчу ефективність кожної з них окремо.

Нарешті, направляючи повітря за допомогою спеціальних екранів або

кожухів, можна послати практично весь потік на робочу область колеса і

захистити від небажаного впливу область зворотного ходу, чим ще більше

підвищити їх ефективність. Звичайно, тоді знову виникає необхідність

орієнтації цього екрану у відповідності з напрямом вітру, однак організувати

це простіше, оскільки направляючий екран є пасивним елементом і з нього не

треба знімати енергію ні в механічній, ні в електричній, ні в якій-небудь

іншій формі, а вісь повороту екрана співвісна з віссю обертання робочого

колеса.

1.5. Розташування вітрогенераторів

Ефективність роботи вітрового генератора багато в чому залежить від

місця його установки.

Очевидно, що біля поверхні землі і тим більше в низинах вітер

набагато слабший, ніж на відкритих місцях, височинах, де мало перешкод

для вільного руху повітря. Тому недивно, що майже завжди вітрові

установки намагаються встановити вище. Проте, якщо прагнути підняти її як

можна вище, то знадобиться створення і розрахунок спеціальних конструкцій

для утримання при штормових поривах (звичайно, цим не варто нехтувати

ніколи, але при малій висоті закріплення виконати набагато простіше). Крім

того, на великій висоті істотно ускладниться монтаж і обслуговування. Між

тим, уміло використовуючи рельєф і забудову, навіть поблизу поверхні

можна добитися більш високої ефективності використання енергії вітру в

порівнянні з простим підняттям вітроустановки як можна вище.

Грамотне використання природних перешкод або спрямування потоку

повітря штучними екранами може істотно підвищити концентрацію його

енергії, іноді навіть в рази.

Будь-який виступ на гладкій поверхні змінює течію потоку повітря,

створюючи зони з підвищеною і пониженою швидкістю руху, і відповідно, з

16

різною потенційно отримуваною енергією вітру. Для земної поверхні такими

об’єктами є в першу чергу природні гори і пагорби, а також будівлі й інші

штучні споруди.

Рис. 2. Схема обтікання елементів рельєфу і споруд у вертикальній площині. Щільність ліній відповідає густині повітряного потоку (енергії вітру). 1 – пологий пагорб або насип, 2 – будівля або крутий схил. Показані струмені основного потоку та слабші вихрові рухи повітря в зонах затишшя.

З рисунка видно, що будь-які перешкоди наче стискають повітряний

потік, і його найбільша щільність виникає на їх кромках – у вершини

пологого пагорба або на краях даху чи обриву. Таким чином, перешкоди

служать концентраторами енергії вітру, і вітроустановку слід розміщувати

саме в таких місцях.

Особливу увагу слід звернути на слабші в порівнянні з основним

потоком вихрові рухи в зонах затишшя, що виникають при обдуванні

перешкод з різкими гранями, передусім будівель. У цих зонах повітря

рухається набагато слабше, ніж біля кромок, а на деяких ділянках може

навіть рухатися в напрямі, протилежному до основного вітру. Розміри таких

зон прямо залежать від швидкості вітру і конфігурації перешкоди, проте

завжди таке явище має найбільші розміри і утворюється в першу чергу з

підвітряного боку (у вітровій тіні), потім – в нижній частині навітряної

сторони і на вершині. Слід зауважити, що зворотний рух повітря не захоплює

кромки перешкоди, тому найвигідніше розташування вітряка на будівлі з

плоским дахом – не посередині даху, а на краю. Втім, є інша проблема – на

навітряній стороні набігаючий потік не горизонтальний, а може мати помітну

вертикальну складову. Спуск потоку з підвітряного боку будівлі зазвичай

17

відбувається набагато плавніше, ніж його підйом на навітряній стороні.

Якщо при обтіканні перешкоди завихрень не виникає, то говорять про

ламінарну течію повітря, що відповідає лівому рисунку. Інакше обтікання є

турбулентним (вихровим), і хоча в окремих точках там досягається більш

висока концентрація енергії, ці точки можуть переміщатися в просторі

залежно від сили вітру, і оптимальне в одному випадку розміщення вітряка

стає неефективним при іншій швидкості вітру. В той же час при ламінарному

обтіканні точка найбільшої концентрації енергії повітряного потоку своє

положення не змінює, якщо тільки не міняється напрям самого потоку.

У міру зростання швидкості вітру все більше перешкод переходить з

категорії ламінарного обтікання в категорію турбулентного і розміщення

вітряка може стати не оптимальним відносно максимальної концентрації

енергії вітру. Проте при штормових поривах сила вітру і так надмірна в

порівнянні з нормальним режимом роботи, і максимум енергії на вітряку нам

тоді зовсім не потрібний, а ось із слабкого вітру якраз потрібно витягати

якомога більше енергії, що знаходиться в ньому.

Концентрація повітряного потоку можлива не лише у вертикальній, але

і в горизонтальній площині. Так при слабкому або взагалі не відчутному вітрі

відчувається концентрація потоку повітря на кутах великих будівель, в арках

або у вузьких проходах між будинками. При цьому істотною умовою є

співвідношення ширини проходу і висоти перешкоди: чим вище перешкода і

вужче прохід, тим вище концентрація енергії. Якщо висота перешкоди

відносно невелика, то велика частина повітряного потоку навіть від самої

поверхні «вважатиме» за краще обійти його згори, а не збоку, і концентрація

вітру в горизонтальній площині виявиться невисокою.

Іншим важливим чинником концентрації є сила вітру. Уявимо собі

довгий і високий будинок з аркою посередині. При слабкому вітрі повітряний

потік в арці випробовує не занадто великий аеродинамічний опір. Тому туди

«збирається» швидкісний натиск зі значної частини площі фасаду і швидкість

вітру, а отже і концентрація його кінетичної енергії там перевищує ті ж

18

параметри «вільного» вітру у багато разів. Проте при підвищенні сили вітру і

швидкості потоку аеродинамічний опір в отворі арки починає різко зростати.

Тому туди потрапляє все менша частина вітрової енергії, що припадає на

увесь фасад будівлі, і все більша її частина «витісняється» через кутові грані

будівлі і його дах. В результаті отримуємо корисний «ефект підворіття», що

забезпечує там максимальну концентрацію енергії слабких вітрів, а при

підвищенні сили вітру автоматично знижує її (тут мова саме про міру

концентрації, а не про абсолютну швидкість потоку – при посиленні вітру

вона, звичайно, росте). Втім, слід зазначити, що при найслабкіших вітрах

концентрація теж мала – вона має виражений максимум при певній

швидкості вітру, залежно від параметрів будівлі.

Рис. 3. Схема обтікання елементів рельєфу і споруд в горизонтальній площині. Щільність ліній відповідає густині повітряного потоку (енергії вітру). 1 – перешкоди з плавними контурами (пагорби), 2 – перешкоди з різкими гранями (будівля). Показані струмені основного потоку та слабші вихрові рухи повітря в зонах затишшя.

Як і у випадку з вертикальним обтіканням перешкод, рух повітря може

бути ламінарним – при слабкому вітрі і плавних контурах перешкоди, – і

турбулентним – при високій швидкості повітря і різких гранях перешкоди.

Слід зазначити, що в найбільш вузькому місці між перешкодами

основний рух повітря буває уздовж однієї і тієї ж лінії – по осі проходу між

ними, – тобто відбувається не лише концентрація, але і стабілізація напряму

повітряного потоку. Це дозволяє в таких місцях стаціонарно встановлювати

високоефективні вітроколеса з горизонтальною віссю обертання, оскільки

тут немає необхідності відстежувати орієнтацію вітру – тут можливі тільки

два напрями: «туди і назад». Проте за це доводиться платити слабким

19

повітряним потоком, якщо вітер дме по дотичній до ряду перешкод, і

практично повною відсутністю руху повітря у разі, коли навіть досить

сильний вітер дме уздовж фронту перешкод перпендикулярно проходу між

ними (хоча розміщення перешкод зі зміщенням, показане в правій частині

рисунка, гарантує вітер в проході між ними при будь-якому його напрямі).

Зазвичай одне вітроколесо перекриває і, відповідно, використовує

відносно невелику частину повітряного потоку, тому і енергії може виробити

не дуже багато. Щоб збільшити вироблення енергії, необхідно збільшити

переріз повітряного потоку, що перекривається, тобто і геометричні розміри

вітроколеса. Проте ці розміри не можна робити занадто великими хоч би в

силу межі міцності матеріалів. Крім того, монтаж і обслуговування

величезних лопатей теж стає нетривіальним завданням. Але це і

необов’язково – адже можна встановити поруч декілька вітроустановок, що в

сумі перекривають необхідний переріз повітряного потоку і дають необхідну

сумарну потужність (звичайно, не в штиль, а при «середньому

розрахунковому вітрі»).

Слід застерегти не лише від гігантизму, але і від зайвої мініатюризації.

На практиці зазвичай немає сенсу «дробити» вітроколеса діаметром менше 5-

6 м, і вже тим більше не варто робити декілька вітряків метрового розміру

замість одного колеса діаметром 2-3 м.

Рис. 4. Розміщення вітроколіс з горизонтальною віссю обертання для перекриття повітряного потоку постійного напряму у вертикальній площині. Ліворуч – одні за іншими в двох площинах, справа – розміщення в одній площині.

Але якщо все ж одним вітроколесом не обійтися, то постає питання: як

розмістити вітроустановки так, щоб вони якнайповніше перекривали переріз

20

повітряного потоку при будь-якому напрямі вітру, в той же час не заважали

один одному і, тим більше, не зачіпали один одного під час роботи.

Вітроколеса з горизонтальною віссю обертання, розміщені в одній

площині, не можуть повністю перекрити увесь переріз повітряного потоку,

оскільки кожне з них «вирізає» з нього круг, а між ними залишаються

проміжки. Тому необхідно або розміщувати вітроколеса в два ряди (у двох

паралельних площинах), так, щоб колеса одного ряду перекривали проміжки

в іншому, або використовувати щільну упаковку в одній площині. У

першому випадку виходить значне взаємне перекриття перерізу колесами

різних рядів, що веде до зменшення ефективності кожної окремої установки.

Проте при невеликому збільшенні відстані між колесами в одній площині,

переріз, що взаємно перекривається, зменшиться набагато значніше, ніж

збільшаться «порожні» проміжки, і загальна ефективність групи вітроколіс

зросте. Продовжуючи «розсовувати» установки далі, врешті-решт ми

отримаємо другий випадок, коли області обертання вже не перекриваються, і

усі вітроколеса можна розмістити в одній площині. При цьому «порожні»

місця не перевищують 10% від площі перерізу, а кожне колесо працює з

максимальною ефективністю. Цей варіант і представляється найбільш

оптимальним.

Розміщення коліс в одній площині без зміщення рядів один відносно

одного («по квадрату») менш ефективно, оскільки площа проміжків між

колесами тут вже наближається до 25%.

Бічний переріз роторного колеса з вертикальною віссю обертання легко

зробити прямокутним, тому їх неважко розмістити так, щоб повністю

перекрити увесь переріз повітряного потоку. Крім того, висоту ротора, що

обертається навколо вертикальної осі, набагато простіше збільшити, чим

довжину лопатей вітроколеса з горизонтальною віссю, тому у багатьох

випадках немає необхідності розміщувати декілька невисоких роторів один

над іншим, якщо можна встановити один високий. Але в цих конструкціях

зазвичай працює з користю лише половина бічного перерізу, а інша половина

21

здійснює зворотний хід, і, у разі постійного напряму повітряного потоку, її

доцільно прикрити екраном для захисту від набігаючого вітру, направивши

його на робочу половину свого або сусіднього ротора. В силу цього для

вітроколіс з вертикальною віссю найбільше значення набуває їх розміщення

в горизонтальній площині.

Якщо у вертикальній площині рух повітря, як правило, відбувається

паралельно поверхні Землі, то в горизонтальній площині вітер найчастіше

може дути з будь-якого напряму. Тому при установці вітряків необхідно

розміщувати їх або в тому місці, де природні або штучні перешкоди і екрани

забезпечують рух повітря лише уздовж однієї осі, або так, щоб декілька

встановлених поруч вітряків перекривали один одного приблизно однаковою

мірою при будь-якому напрямі вітру.

При цьому немає великої різниці, чи потрібна цим пристроям

орієнтація за вітром (вітродвигуни з горизонтальною віссю обертання

робочого колеса) або напрям вітру їм байдужий (пристрої з вертикальною

віссю обертання). Втім, одна відмінність є: оскільки у пристроїв з

горизонтальною віссю площина обертання робочого колеса зазвичай не

співпадає з їх віссю повороту в горизонтальній площині, їхня «упаковка»

буде менш щільною, і чим далі площина колеса знаходиться від осі повороту

за вітром, тим більшою має бути відстань між установками при тому ж

діаметрі робочого колеса, інакше не можна виключити їх зіткнення одне з

одним при різкій зміні напряму вітру (скажімо, перед грозою, коли пориви

можуть налітати з найнесподіванішого боку).

Як і у випадку з вертикальною площиною, тут найбільш ефективне

стільникове розміщення , при малій їх кількості що вимагає як мінімум 3 або

6-7 вітроустановок. Проте, коли їх кількість зростає, центр слід залишати

порожнім, оскільки розміщені там вітроустановки будуть прикриті від

набігаючого вітру і ефективність їх буде низькою. Навпаки, досить великий

порожній простір в центрі дозволить вітру знову набрати силу, і ефективність

задньої межі великої групи вітроустановок стане близькою до ефективності її

22

передньої межі. Тому немає сенсу розміщувати вітроколеса більш ніж в два

ряди.

Рис. 5. Розміщення декількох вітроколіс в горизонтальній площині при будь-якому можливому напрямі вітру. Круги означають область обертання ротора коліс з вертикальною віссю або область, що перекривається при повороті за вітром установок з горизонтальною віссю обертання робочого колеса. 1 – група з трьох вітроустановок, 2 – група з 7 (чи 6) вітроустановок, 3 – розміщення великої кількості вітроустановок.

Розміщення установок в один ряд понизить ефективність використання

вітру, проте зовсім не в два рази. І в цьому випадку замкнутий контур,

уздовж якого розміщуються установки, вже не має бути обов’язково

шестигранником. Він може мати і будь-яке інше число граней або взагалі

бути круглим. Так що краще розміщення вітроустановок в горизонтальній

площині при будь-якому можливому напрямі вітру – по колу в один ряд, а

при їх дуже великій кількості – по колу в два ряди зі взаємним перекриттям

проміжків. При явному переважанні вітрів одного досить вузького напряму

може бути доцільним розміщення вітряків по дузі, перпендикулярній цьому

напряму. Проте лінійне розміщення і в цьому випадку недоцільно. Воно

виправдане лише там, де бічні вітри практично виключені, скажемо в довгій

долині між високими схилами.

Для отримання більш-менш пристойної потужності вітроколесо

повинне мати досить великий розмір – як мінімум в декілька метрів.

Відповідно, і його вага складатиме не один десяток кілограмів. У поєднанні з

досить високою швидкістю обертання така конструкція несе небезпеку в

робочій зоні. Тому при виборі місця для установки вітряка необхідно

передбачити, щоб його лопаті під час роботи завжди знаходилися на

23

безпечній відстані. Для вітроколіс з горизонтальною віссю обертання це

зазвичай має на увазі спорудження щогли з таким розрахунком, щоб нижній

край лопатей знаходився на відстані не менше 2,5...3 м від рівня землі.

Окрім вибору правильного місця розміщення, конструкція вітроколеса і

щогли має бути дуже міцною, щоб витримати найсильніші пориви вітру. Як

правило, нижній кінець щогли надійно бетонується, а сама вона фіксується

розтяжками, які кріпляться до сталевих кілець або петель з арматури,

вмонтованих у бетонні блоки, що укопані в землю. В результаті площа, що

займається вітряком з колесом діаметром 5-6 м, становить приблизно 1 ар.

Нарешті, не можна унеможливлювати і руйнування вітроколеса – якщо

не в перші роки, то через декілька років – адже втому металу і приховані

дефекти поверхневим оглядом виявити навряд чи вдасться. Таке станеться

швидше за все при сильному пориві вітру. В такому разі уламки розлетяться

на десятки метрів, тому при виборі конструкції і місця установки вітряка цей

аспект теж необхідно враховувати.

24

Розділ 2. Програми моделювання вітроустановки

2.1. Програмний комплекс FlowVision

FlowVision протягом останніх десяти років розроблявся колективами

спеціалістів (в основному випускниками МФТІ) в області механіки

суцільного середовища і в теперішній час отримав офіційне признання на

ринку пакетів прикладів програм. Навчальні версії відрізняються від

професійних версій суттєво меншою ціною, вони мають кількісні обмеження,

що не дозволяють їх використовувати в комерційних цілях. Але при цьому

більша частина функціональних можливостей навчальних і професійних

пакетів практично однакова.

FlowVision є інтегрованою системою – препроцесор (частина програми,

в якій створюється і редагується розрахунковий проект), блок розрахунку

рівнянь і постпроцесор (частина програми, в якій аналізуються результати

розрахунку) об’єднані і працюють одночасно. Це дозволяє користувачеві

проводити моделювання та одночасно аналізувати результати, змінювати

граничні умови і параметри математичної моделі.

25

CAD-пакет

FlowVision

Препроцесор

Солвер

Постпроцесор

Створення геометрії

Експорт геометрії з

CAD-пакета в FlowVision

Задавання фізичної моделі, побудова

розрахункової сітки, розрахунок і

представлення результатів.

Аналіз результатів

Рис. 6. Схема FlowVision.

Препроцесор виконує такі основні функції:

• Побудова геометричної основи завдання – розрахункової області, яка

формується за допомогою зовнішніх програм і потім імпортується в

FlowVision. Геометрія створюється в різних системах автоматизованого

проектування та зберігається в форматах VRML, STL, DEFORM, ABAQUS,

ANSYS або NASTRAN.

• Фізико-математична постановка задачі: вибір моделі для внутрішніх

точок розрахункової області, а також інтерактивне задавання граничних умов

на поверхнях, а для нестаціонарних задач – початкових умов, задавання всіх

вихідних даних і параметрів задачі.

• Введення параметрів розрахункової сітки і чисельного методу для

чисельного розв’язування задачі.

Постпроцесор FlowVision служить для виведення і представлення,

перш за все візуалізації отриманих в результаті розрахунків даних. Важливо,

що дані можуть виводитися на будь-якому етапі розрахунку, і це дозволяє

відслідковувати динаміку модельованого процесу. Результати аналізу даних

постпроцесорів можна зберегти у вигляді окремих файлів. Постпроцесор має

спільний з препроцесором і блоком розрахунку інтерфейс. Постпроцесор

працює з файлами у власному форматі FlowVision. Крім того, з його

допомогою можна переглядати VRML-файли. Блок 3D графіки реалізований

з допомогою бібліотеки OpenGL.

Солвер забезпечує чисельний розв’язок поставленої задачі і є

«невидимим» для користувача.

2.2. Області застосування програми FlowVision

Короткий список задач, що розв’язуються з використанням FlowVision,

включає в себе наступні напрямки:

• Автомобільна промисловість:

- визначення коефіцієнтів опору корпусу автомобіля набігаючого

повітряного потоку;

26

- вентиляція підкапотного простору і салону;

- моделювання горіння палива в камері згоряння;

• Аерокосмічна промисловість:

- моделювання обтікання літаків і ракет;

- вентиляція і пожежна безпека салонів літаків;

- моделювання фізико-хімічних процесів в турбореактивних

двигунах і в камерах згорання ракет;

• Технологічні процеси виробництва матеріалів:

- моделювання лиття металів і пластмас у форму;

- моделювання фізико-хімічних процесів у хімічних і біологічних

реакторах;

• Будівництво:

- розрахунок вітрових навантажень на будівлі та споруди;

- вентиляція і пожежна безпека будівель;

- визначення опорів вентиляції і водо-роздавальних пристроїв;

• Енергетика:

- розрахунок пальників для спалювання палива в котлах ТЕЦ;

- розрахунок викидів оксидів азоту котлами ТЕЦ;

- визначення опорів газоходів;

• Екологія та надзвичайні ситуації:

- моделювання поширення забруднень у водно-повітряних

басейнах;

- моделювання розповсюдження пожеж у лісах і містах.

Основним завданням FlowVision є чисельне розв’язування рівнянь

обчислювальної гідродинаміки, основним з яких є рівняння Нав’є – Стокса.

Програмний комплекс FlowVision вирішує тривимірні рівняння динаміки

рідини і газу: рівняння Нав’є – Стокса (закони збереження маси та імпульсу)

і рівняння переносу ентальпії (закон збереження енергії). При розрахунку

складних течій, що супроводжуються додатковими фізичними процесами

(турбулентність, горіння, рух контактних границь і т.д.), розв’язуються

27

додаткові рівняння, що описують ці процеси. Сукупність усіх

диференціальних рівнянь, рівнянь стану, початкових і граничних умов

називається математичною моделлю.

Можливості моделювання:

• 3D стаціонарні, нестаціонарні стискувані, слабко стискувані і не

стискувані потоки рідини.

• Ламінарні або турбулентні потоки.

• - -подібні моделі турбулентності.

• Перенесення скалярних величин та їх флуктуацій.

• Вільні поверхні.

• Горіння попередньо перемішаних і неперемішаних газових сумішей.

• Сполучений теплообмін.

• Зв’язане моделювання руху рідини з різними математичними

моделями в різних областях.

• Граничні умови на стінці:

- Прослизання і прилипання.

- Степеневий і логарифмічний закони для турбулентних течій.

- Адіабатичні / ізотермічні / тепловий потік / теплообмін /

спряжений теплообмін.

• Граничні умови, що залежать від часу.

• Періодичні і зв’язані граничні умови.

• Ковзаюча сітка.

В FlowVision допускається використання широкого набору граничних

умов, що залежать від конкретної моделі. Однак всі вони базуються на

гідродинамічних змінних (тиску і швидкості):

• умови прилипання або прослизання рідини, що задаються для вектора

швидкості на границях з твердими тілами;

• умови тиску на границях;

• умови швидкості потоку по нормалі до границі або під кутом до

нормалі;

28

• умова витікання з нульовим градієнтом тиску;

• комбінації умов, перерахованих вище, наприклад, вільне витікання

рідини з нульовими градієнтами тиску і швидкості або задані на границі

значення тиску і швидкості.

Слід зауважити, що конкретні граничні умови, як і значення параметрів

рівнянь (густина, в’язкість, теплопровідність і т. п.), можуть задаватися

змінними з часом.

Початкові умови необхідно задавати при розгляді моделей, що

відповідають нестаціонарним рухам. В залежності від виду моделюючих

рівнянь в початковий момент часу у всіх точках розрахункової області

задаються значення шуканих функцій і деяких похідних від них, причому ці

значення можуть бути різними в різних частинах області.

Для чисельного розв’язування базових рівнянь в FlowVision

використовується метод, заснований на консервативних схемах розрахунку

нестаціонарних рівнянь у частинних похідних, які в порівнянні з

неконсервативними схемами дають розв’язок, що точно задовольняє закони

збереження (зокрема, рівняння нерозривності). За бажанням користувача для

розв’язування виникаючої системи лінійних алгебраїчних рівнянь може

використовуватися як неявний (більш надійний), так і явний (швидше

працює, але розходиться при великих кроках за часом) варіант ітераційного

процесу. Метод базується на Ейлеревому підході до опису руху рідини, суть

якого полягає в тому, що різні скалярні і векторні величини розглядаються як

функції змінних Ейлера – часу і координат точки в нерухомій системі

координат.

В FlowVision чисельне інтегрування рівнянь по просторовим

координатам проводиться з використанням прямокутної адаптивної локально

подрібненої сітки (АЛПС). Такий підхід забезпечує, з одного боку,

використання простої рівномірної неадаптивної сітки при розв’язуванні задач

з відносно нескладної геометрією. З іншого боку, з’являється можливість при

розв’язуванні задач зі складною геометрією проводити адаптацію

29

(підстроювання) сітки до особливостей геометрії поблизу границь, а при

розв’язуванні задач з розривними течіями адаптацію за значеннями шуканих

функцій, їх градієнтів тощо.

Процедура локального подрібнення в області адаптації передбачає

можливість послідовного розподілу, починаючи з вихідної, кожної

попередньої комірки на чотири більш дрібні елементи (в тривимірному

випадку на вісім) до забезпечення виконання умови адаптації (наприклад,

досягнення заданої точності обчислення градієнта шуканої функції).

Інтерфейс FlowVision включає можливості автоматичного і ручного

контролю формування сітки, в тому числі додавання і видалення осередків

сітки в певних областях.

2.3. Програмні комплекси SolidWorks та КОМПАС-3D

SolidWorks – програмний комплекс САПР (системи автоматизованого

проектування) для автоматизації робіт промислового підприємства на етапах

конструкторської і технологічної підготовки виробництва. Забезпечує

розробку виробів будь-якого ступеня складності і призначення. Працює в

середовищі Microsoft Windows. Розроблений компанією SolidWorks

Corporation, що є незалежним підрозділом компанії Dassault Systemes

(Франція). Програма з’явилась в 1993 році та склала конкуренцію таким

продуктам, як AutoCAD і Autodesk Mechanical Desktop, SDRC I-DEAS і

Pro/ENGINEER.

SolidWorks – це система гібридного параметричного моделювання, яка

призначена для проектування деталей і збірок в тривимірному просторі з

можливістю проведення різних видів експрес-аналізу, а також оформлення

конструкторської документації у відповідності з вимогами єдиної системи

конструкторської документації (ЄСКД).

Відмінними особливостями базового модуля SolidWorks є:

- об’ємне і поверхневе параметричне моделювання;

- повна асоціативність між деталями, збірками і кресленнями;

30

- багатий інтерфейс імпорту/експорту геометрії;

- експрес-аналіз міцності деталей і кінематики механізмів;

- спеціальні засоби по роботі з великими збірками;

- простота в освоєнні і висока функціональність;

- гнучкість та масштабування;

- 100% відповідність вимог ЄСКД при оформленні креслень;

КОМПАС-3D – сімейство систем автоматизованого проектування з

можливостями оформлення проектної та конструкторської документації

згідно стандартам серії ЄСКД. Розроблюється російською компанією

«Аскон».

Основне завдання, яке вирішується системою КОМПАС-3D –

моделювання виробів з метою істотного скорочення періоду проектування і

якнайшвидшого їх запуску у виробництво. Ці цілі досягаються завдяки

можливостям:

- швидкого одержання конструкторської та технологічної документації,

необхідної для випуску виробів;

- передачі геометрії виробів в розрахункові пакети;

- передачі геометрії в пакети розробки управляючих програм для

устаткування з чисельно програмним управлінням;

- створення додаткових зображень виробів (наприклад, для складання

каталогів, створення ілюстрацій до технічної документації і т.д.).

Основні компоненти КОМПАС-3D – власне система тривимірного

моделювання, креслярсько-графічний редактор і система проектування

специфікацій.

Система тривимірного моделювання призначена для створення

тривимірних параметричних моделей окремих деталей і складових одиниць,

що містять як оригінальні, так і стандартизовані конструктивні елементи.

Параметрична технологія дозволяє швидко одержувати моделі типових

виробів на основі одного разу спроектованого прототипу. Численні сервісні

функції полегшують розв’язування допоміжних завдань проектування і

31

обслуговування виробництва.

Креслярсько-графічний редактор призначений для автоматизації

проектно-конструкторських робіт в різних галузях діяльності. Він може

успішно використовуватися в машинобудуванні, архітектурі, будівництві,

складанні планів і схем – скрізь, де необхідно розробляти і випускати

графічні і текстові документи.

Спільно з будь-яким компонентом КОМПАС-3D може

використовуватися система проектування специфікацій, що дозволяє

випускати різноманітні специфікації, відомості та інші табличні документи.

2.4. Методи та алгоритми розв’язування задачі за допомогою FlowVision

Апроксимація рівнянь. Математична модель руху газу (рідини) являє

собою сукупність рівнянь конвективно-дифузного переносу. FlowVision

використовує метод скінчених об’ємів для чисельного розв’язування

керуючих рівнянь. У цьому методі керуючі рівняння інтегруються за

об’ємами кожної комірки розрахункової сітки та по відрізку часу (крок часу).

В FlowVision використовується декілька схем апроксимації конвективного

потоку. Ці схеми засновані на відновленні змінної, що розраховується, з її

середніх значень всередині комірки розрахункової сітки і перенесення

відновленої функції по лініях току рідини (характеристикам поля швидкості).

Використовуються наступні методи відновлення змінної всередині

розрахункової комірки

а) середні величини в розрахункових об’ємах;

б) відновлення першого порядку ("Upwind scheme")

в) гладке відновлення високого порядку ("Smooth reconstruction")

г) поетапне відновлення високого порядку ("Sharp reconstruction").

Спосіб відновлення "Upwind scheme" відповідає відомій схемі проти

потоку, що має перший порядок точності за просторовою змінною.

Розрахунок течії з використанням цієї схеми для апроксимації конвективного

члена дає грубий розв’язок, що має велику схемну дисипацію, і призводить

32

до штучного зменшення його градієнтів («розмазування»). Розрахунок цією

схемою має максимальну швидкість збіжності розв’язку до стаціонарного

стану (якщо він є). Більш того, ітерація за часом виконується при

використанні схеми швидше. Ця схема використовується при розрахунках

тих варіантів, на яких схеми високого порядку точності не стійкі, або в

початкові моменти часу при розрахунках стаціонарних варіантів для

отримання першого наближення розв’язку з подальшим розрахунком

схемами високого порядку точності.

Спосіб відновлення "Smooth reconstruction" відповідає формально схемі

другого порядку за часом і за простором, однак, як показали дослідження ця

схема має точність схем підвищеного порядку точності. Рекомендується

використовувати для розрахунку всіх рівнянь конвективного переносу.

Спосіб відновлення "Sharp reconstruction" відповідає схемі для

розрахунку перенесення ступінчастої функції, що приймає тільки два

значення «мінімальне» і «максимальна» у всій області розрахунку. Приклад:

перенесення функції VOF, що приймає значення 0 (газ) та 1 (рідина), яка

застосовується в FlowVision для відстеження границі поділу між рідиною і

газом.

Точність чисельного розв’язку рівняння конвективного переносу

сильно залежить від орієнтації відносно течії рідини розрахункової сітки.

Найбільш сильно схемні спотворення розв’язку проявляють при

діагональному, «скошеному» потоці рідини щодо комірок сітки. Щоб

підвищити точність розрахунку при діагональному потоці рідини, в

FlowVision застосовується «скошена» розрахункова схема. Застосування цієї

схеми збільшує час розрахунку рівняння конвективного переносу приблизно

на 50%. Дана схема використовується для моделювання закручених течій.

Явний і неявний методи розрахунку. Інтегрування керуючих рівнянь

проводиться кроком за часом, значення якого визначається з умов стійкості

обчислювального алгоритму. В FlowVision є можливість розрахунку цього

рівняння явним і неявним алгоритмами.

33

У явному алгоритмі тільки конвективний член рівняння переносу

записується в явному вигляді. Всі інші члени обчислюються неявно.

Крок за часом в явному алгоритмі обмежений умовою Куранта –

Фрідріхс – Леві. Для розв’язування рівняння конвективного переносу

неявним алгоритмом використовується метод корекції помилки. Неявний

алгоритм не має обмежень на величину кроку за часом. Цей крок задається

або постійним, або через «неявне число Куранта – Фрідріхс – Леві».

34

Розділ 3. Розрахунок вітроустановки

3.1. Вітрогенератори роторного типу

Розглядаються два типи вітрогенераторів з вертикальними осями: Дар’є

і Савоніуса. Ці типи вертикальних машин використовуються в міських

середовищах, бо їх вважають більш безпечними через те що вони є тихими

із-за низьких швидкостей обертання.

Вітрогенератори з ротором Дар’є мають вертикальну вісь обертання і

дві або три лопаті, які представляють собою плоску смугу, що не має

характерного аеродинамічного профілю. Достоїнствами ротора Дар’є є:

відсутність системи орієнтації на вітер; технологічна простота виготовлення

лопатей; можливість розміщення приводного обладнання на рівні землі, що

значно спрощує його технічне обслуговування. Недоліками ротора Дар’є є:

відносно низька ефективність роботи лопатевої системи, у порівнянні з

горизонтально-осьовими ВЕУ; більш низькі терміни служби опорних вузлів,

за рахунок більш високих динамічних навантажень на них з боку ротора,

тому що при його обертанні, підйомна сила від кожної лопаті змінює свій

напрямок на 360°, що створює додаткові динамічні навантаження;

двохлопатні вітрогенератори з ротором Дар’є при рівномірному набіганні

потоку не можуть запускатися самостійно.

Рис. 7. Вітроустановки Дар’є.

В роторі Савоніуса використовуються два або кілька напівциліндрів.

35

Для ротора Савоніуса характерні високі пускові крутні моменти, робота при

відносно низьких швидкостях і відносно висока технологічність його

виробництва. Недоліками ротора Савоніуса є: більш низька ефективність

роботи лопатевої системи, у порівнянні з горизонтально осьовими; відносно

висока матеріаломісткість. В даний час вітрогенератори з ротором Савоніуса

випускаються в діапазоні потужностей до 5 кВт. Ротор Савоніуса часто

комбінують з ротором Дар’є для забезпечення більш високих пускових

моментів ротора Дар’є.

Рис. 8. Вітроустановки Савоніуса.

3.2. Моделювання вітрового колеса Савоніуса

Задача розв’язана з використанням ковзаючої поверхні. Особливістю

цього типу задач є те, що при розрахунку задач, в яких одні поверхні

нерухомі, а інші поверхні обертаються, необхідно задавання так званої

поверхні ковзання, яка розбиває простір, укладений між поверхнею колеса і

поверхнею куба, на відповідні два простори. У кожному з них задається своя

система координат: рухома, пов’язана з тілом, яке обертається, і нерухома,

пов’язана з нерухомим тілом, відповідно. Тоді в цих системах координат

36

рухомою буде лише поверхня ковзання, що дозволяє використовувати в

системі FlowVision так звані «ковзаючі» сітки. Такий підхід дозволяє

розв’язувати широкий спектр задач з моделювання лопаткових машин: газові

турбіни, парові турбіни, гідротурбіни, зовнішнє і внутрішнє охолодження

лопаток турбіни, водяні лічильники, відцентрові компресори та аксіальні

компресори, повітряні вітряки і газонокосарки.

Також ця задача може бути розв’язана за допомогою використання

фільтра рухомого тіла.

Створення геометрії. Для моделювання вітрового колеса Савоніуса

використовувалася геометрія з бібліотеки FlowVision. Для цього

завантажувався файл windmill.wrl. Після цього структура варіанту

з’являється в робочому вікні, а зображення геометрії в графічному вікні.

Після обробки геометричної інформації FlowVision створює три

підобласті:

1) SubRegion1 – підобласть, обмежена поверхнею колеса, тобто

внутрішність колеса (не розраховується);

2) SubRegion2 – підобласть, укладена між поверхнею циліндра і

поверхнею куба (статор);

3) SubRegion3 – підобласть, укладена між поверхнею колеса і

поверхнею циліндра (ротор).

Створення математичної моделі. В даному випадку маємо істотно

дозвукову течію газу, яка описується математичною моделлю Incompressible

Fluid (нестислива рідина), яку встановимо в підобластях ротор і статор. У цих

же вікнах виберемо розрахункові рівняння: Velocity (Швидкість) і Turbulence

(Турбулентність), що означає: будуть розв’язуватись тільки рівняння Нав’є –

Стокса для нестисливої рідини та рівняння переносу для турбулентної енергії

і дисипації.

В першій підобласті залишається модель Non-calculated (нема

розрахунку).

Задавання і зв’язування граничних умов.

37

Підобласть ротора:

1) на границях 1 і 2 – гранична умова стінки з логарифмічним профілем

швидкості біля стінки (CWall) Rotary wall, logarithm law (Обертова стінка,

логарифмічний закон);

2) на границі 3 – гранична умова Sliding (ковзаюча поверхня). Задачі з

ковзаючими поверхнями рекомендується розв’язувати в абсолютній системі

координат, тому граничні умови в підобластях, що обертаються, повинні

бути перераховані в абсолютну систему координат.

Підобласть статора:

1) на границі 1 – гранична умова входу з нормальною швидкістю

(Inlet / Outlet) Normal Inlet / Outlet (Нормальний вхід / вихід);

2) на границі 2 – гранична умова симетрії (Symmetry) Wall with Slip

(Стінка з прослизанням));

3) на границі 3 – гранична умова вільного виходу (Free Outlet) Zero

Pressure / Outlet (Нульовий тиск / вихід));

4) на границі 4 – гранична умова Sliding (ковзаюча поверхня).

Геометрія та граничні умови вітроколеса Савоніуса представлені в

додатку 1. Після задавання граничних умов слід зв’язати граничні умови

Sliding (Ковзаюча поверхня) двох підобластей.

Задавання параметрів методів розрахунку і фізичних параметрів. У

підобластях ротора і статора задамо початкове значення швидкості в області,

рівне . Інші параметри змінювати непотрібно.

Задавання обертання підобласті. Обертання відносно осі задається в

папці Motion (Рух) Properties (Властивості) Rotation (Обертання). На сторінці

властивостей необхідно задати кутову швидкість обертання в обертах за

хвилину ( ), вісь обертання (напрямок і точку, через яку вона

проходить) і включити використання абсолютної системи координат.

Задавання початкової розрахункової сітки та критеріїв її адаптації.

Спочатку задається рівномірна сітка . Для малих

деталей геометрії розрахункової області і високих градієнтів величин, що

38

розраховуються у FlowVision, використовується прямокутна адаптивна

локально подрібнена сітка (АЛПС). Сутність технології АЛПС полягає в

наступному. У всій розрахунковій області вводиться прямокутна сітка.

Виділяються підобласті з особливостями геометрії або течії, в яких необхідно

провести розрахунок на більш дрібній, ніж вихідна, сітці. При цьому

розрахунковий скінченний об’єм, в яку потрапила виділена особливість,

ділиться на вісім (в тривимірному випадку) або на чотири (в двовимірному)

рівних об’ємів. Далі, якщо необхідно, об’єми діляться ще раз і так до

досягнення необхідної точності. Елементи початкової сітки називаються

елементами рівня , елементи, одержані подрібненням рівня , називаються

елементами рівня і т.д. При генерації АЛПС накладається умова, що

гранями і ребрами можуть межувати один з одним тільки комірки з номерами

рівнів, що відрізняються не більш, ніж на одиницю.

У FlowVision існує кілька способів адаптації розрахункової сітки:

- За граничними умовами (до заданого рівня);

- За допомогою критерію адаптації: 1) до заданого рівня; 2) за змінною; 3) за

градієнтом змінної.

В даній задачі потрібне подрібнення сітки біля поверхні обертового

колеса, для цього найкраще підходить адаптація за граничними умовами.

Проводилась адаптація за граничними умовами 1, 2 з підобласті ротора до

рівня 3.

Вибір кроку за часом обчислювального алгоритму. В задачах з

«легкими» сітками оптимальний крок за часом вибирається таким, щоб при

розрахунку комірка, що знаходиться на ковзаючій поверхні, на кожному

кроці за часом переходила в сусідню. У багатьох задачах достатнім є такий

крок за часом, при якому на повний оберт приходиться 100-200 кроків за

часом. В даному випадку повний оберт вітрового колеса здійснюється за

, таким чином, значення кроку за часом можна покласти рівним

.

Запуск варіанту на проведення розрахунку. Для початку розрахунку

39

необхідно йог запустити натисненням відповідної кнопки. Далі розрахунок

проводиться без участі користувача. В процесі розрахунку можна змінювати

параметри задачі, параметри розрахунку або аналізувати дані. Крім цього

завжди є можливість зупинити і продовжити розрахунок.

У FlowVision критерій виходу на стаціонарний розв’язок вибирається

користувачем. Оцінка збіжності розв’язку може бути проведена за

допомогою запису якого-небудь параметра в файл і послідуючого

простеження залежності цього параметра від часу.

Візуалізація результатів розрахунку наведена в додатках 2-4, де

представлені поля основних змінних (розрахунковий час ).

При візуалізації швидкостей слід звернути увагу на те, що в задачах, де

задається обертання під області існує дві змінні для швидкостей: Velocity

(Швидкість) і Abs Velocity (Абсолютна швидкість). Перша змінна – це

швидкості у відносній системі координат, пов’язаній з підобластю, друга –

швидкості в абсолютній системі координат.Якщо при задаванні руху

підобласті використовується опція Use Absolute Coordinate System

(Використовувати абсолютну координатну систему), то тоді швидкості у

відносній і абсолютній системі координат співпадають, але на стінках

необхідно задавати граничні умови Rotary Wall (Обертальна стінка) або

Rotary Wall, logarithm law (Обертальна стінка, логарифмічний закон) (в

залежності від моделі), інші граничні умови задаються звичайним чином.

3.3. Моделювання ротора Дар’є

Подальше зростання вироблюваної потужності і габаритів вертикально

осьової ВЕУ привело до необхідності врахування взаємного впливу лопатей

одна на другу, а також врахування поля швидкостей навколо самого ротора і

в дальньому сліді ветроагрегату. Таким чином, виникла потреба вивчення

процесів формування і розпаду вихорів, а також їх вплив на аеродинамічні

характеристик ВЕУ.

В роботі розглядаються

40

Рис. 9.Профіль лопоті ротора Дар’є.

ортогональні ротори Дар’є, лопаті яких мають довжину, що в багато раз

перевищує хорду (рис. 9).

Лопаті вітрогенератора є найбільш важливою частиною

вітроелектричного агрегату. Від форми лопаті залежать потужність і

швидкість обертання вітроустановки. На жаль, опір профілю неминучий. Чим

більше лопать, тим вище опір і тим більше енергії потрібно для обертання.

Довгі, широкі і товсті лопаті мають більш високий опір профілю.

Опір різко збільшується, коли відбувається зрив потоку через

надмірний кут атаки лопатей (рис. 10). У цьому випадку повітря не обтікає

лопать, а завихрюється і не створює підйомну силу. Для отримання високої

добротності конструктори лопатей вдаються до допомоги аеродинаміки для

зменшення опору обертанню.

Рис.11. Розрахункова схема ротора Дар’є.

41

Рис. 10. Обтікання профілюпри різних кутах атаки.

У випадку перевищення довжини лопаті її хорди в багато раз можна

знехтувати кінцевими ефектами на лопатях та користуватись гіпотезою про

плоскопаралельну структуру течій. Таким чином, задавання обтікання

допускає двовимірну постановку в площині, що перпендикулярна осі

обертання ротора. Оскільки для максимальних швидкостей вітру і значенні

коефіцієнта швидкохідності локальні числа Маха низькі ( ), поле течії

можна вважати нестискувальним.

Для моделювання лопатей ротора Дар’є використовувався профіль

NACA 0018 (таблиця).

Таблиця. Координати профілю лопаті NACA 0018.

100,00 0,189 – 0,189

95,00 1,210 – 1,210

90,00 2,172 – 2,172

80,00 3,935 – 3,935

70,00 5,496 – 5,496

60,00 6,845 – 6,845

50,00 7,941 – 7,941

40,00 8,705 – 8,705

30,00 9,003 – 9,003

25,00 8,912 – 8,912

20,00 8,606 – 8,606

15,00 8,018 – 8,018

10,00 7,024 – 7,024

7,50 6,300 – 6,300

5,00 5,332 – 5,332

2,50 3,922 – 3,922

1,25 2,841 – 2,841

0,00 0,00 0,00

42

Процеси аеродинаміки вітроагрегату описуються усередненими по

Рейнольдсу рівняннями Нав’є – Стокса нестисливої рідини

;

,

де , – декартові координати ( , ); – час; – декартові складові

вектора середньої швидкості ( , ); – тиск; – густина; і –

молекулярний і турбулентний коефіцієнти кінематичної в’язкості.

В якості початкових умов задавалися параметри незбуреного потоку у

всій розрахунковій області. На зовнішній границі застосовувалися граничні

умови невідбивання. На поверхні твердого тіла ставилася умова прилипання.

В роботі Редчиц Д.А. наведено чисельний розв’язок на базі

нестаціонарних осереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав’є – Стокса задачі

про обтікання ротора Дар’є повітряним потоком.

Експериментальне вивчення нестаціонарного поля течії при обертанні

ротора Дар’є з двома прямими лопатями проведено в роботі G. Brochier, P.

Fraunie, C. Beguier, I. Paraschivoiu. Візуалізація поля течії проводилася за

допомогою барвника і бульбашок водню. Це дало можливість відрізняти слід

від кожної лопаті.

На рисунках 12 показані картини візуалізації течії при роботі ротора

Дар’є на основі натурального (а) і обчислювального (б) експериментів (рис.

12). Миттєва картина перебігу характеризується наявністю двох великих

вихорів, що обертаються в протилежні сторони в тій частини траєкторії, де

швидкості лопаті і потоку мають один напрямок. При низьких коефіцієнтах

швидкохідності спостерігається асиметрія між різними ділянками траєкторії

лопаті. Перший вихор зривається з передньої кромки лопаті і обертається в

тому ж напрямі, що і ротор, другий вихор сходить з задньої кромки лопаті і

обертається в протилежному напрямку. Ця система вихорів переноситься

течією через внутрішню область.

43

У сліді за опорною баштою, що обертається, формується нестаціонарна

доріжка Кармана, на структуру якої впливає обертання башти і проходження

лопатей ротора Дар’є по навітряній частині траєкторії. На рисунку 13

наведена реконструкція структури течії при роботі ротора Дар’є в умовах

динамічного зриву потоку для коефіцієнта швидкохідності λ = 2,14 на основі

натурного (а) і обчислювального (б) експериментів. Для наочності залишені

вихори максимальної інтенсивності від опорної башти і розглядуваної лопаті.

Основні стадії зародження, розвитку і зриву вихорів при різних положення

лопаті на траєкторії можна розділити на п’ять основних стадій. Центр

декартової системи координат розташований в центрі опорної вежі.

Початкове кутове положення ротора Дар’є відповідає кутку, коли носова

частина лопаті спрямована проти потоку.

Стадія 1. Відрив пограничного шару зароджується поблизу задньої

кромки лопаті, далі положення точки відриву зміщується в напрямку

передньої кромки. При кутовому положенні ротора на внутрішній

поверхні лопаті відбувається відрив потоку з формуванням двох вихорів. В

цьому випадку кут атаки лопаті становить . Вихор а формується на

носовій частині профілю і, обертаючись проти годинникової стрілки,

зміщується вздовж хорди лопаті. Зародження вихору b викликано взаємодією

незбуреного набігаючого потоку з задньою крайкою лопаті ротора. Напрям

його обертання протилежний напрямку обертання вихору a.

Стадія 2. При кутовому положенні лопаті вихор a «відстає» від

лопаті і зноситься вниз по потоку. На його місці виникає новий вихор, який

має такий же напрямок обертання, але меншу інтенсивність. Це пов’язано з

тим, що відносна набігаюча швидкість потоку, в цій частині траєкторії

менша, ніж у попередній через співнаправленість лінійної швидкості

обертання лопаті і набігаючого потоку. При цьому вихор b обертається в

протилежному напрямку. Кут атаки лопаті в даному випадку становить

.

44

Стадія 3. Зрив потоку з передньої кромки лопаті триває до тих пір,

поки кутове положення ротора не наблизиться до . У цьому положенні

відбувається приєднання потоку, і точка відриву зміщується від передньої

кромки лопаті до задньої. Вихри a і b формують своєрідний диполь, який

надалі переноситься потоком як єдине ціле. Вихор a меншою інтенсивність

втрачає частину своєї енергії і швидко дисипує.

Стадія 4. Зрив прикордонного шару зароджується при кутовому

положенні ротора і ефективному вугіллі атаки . Масивний

45

зрив потоку з зовнішньої поверхні лопаті відбувається при . Як і у

випадку зриву з внутрішньої поверхні, описаного вище, вихор c зривається з

носової частини лопаті, починає рух вздовж хорди, перекочуючись по ній.

Стадія 5. Потік повторно приєднується до поверхні лопаті, коли кут

повороту ротора складе . У сліді починає формуватися періодична

течія за структурою, схожа на вихрову доріжку Кармана в сліді за циліндром.

На цій стадії вихори a і b виносяться потоком з внутрішньої області ротора

Дар’є і зміщуються вниз по потоку разом з вихором c

Спостерігається асиметрія між верхньою і нижньою частинами ротора.

Нижня область характеризується наявністю великих вихрових структур, які є

наслідком динамічного зриву потоку з внутрішньої поверхні лопаті. Верхня

область – вихорами малої інтенсивності в сліді за лопаттю. Це пояснюється

тим, що в першому випадку вихори підштовхують рухомими по потоку

46

лопатями, а в другому – вони, навпаки, підгальмовуються за рахунок дії

в’язких ефектів. Утворена система вихорів впливає на структуру течії

поблизу лопатей ротора Дар’є. Вихори, що зірвалися з лопаті , яка йде

попереду, турбулізують потік для лопаті, що йде за нею. Потік в затіненій

області ротора має набагато більшу турбулентну в’язкість, ніж набігаючий

потік вітру. Це призводить до збільшення ефективної в’язкості в

пристіночній області лопаті, в результаті чого відрив відбувається на великих

кутах атаки, ніж при незбуреному потоці.

47

Висновки

На основі огляду вітрових установок різних типів представлені їх

позитивні і негативні сторони.

Вітрові установки з горизонтальною віссю обертання можуть збирати

енергію вітру зі всієї площі розмаху обертання елементів. Однак для

ефективної роботи вісь обертання повинна бути зорієнтована точно за

напрямом потоку повітря, і працюють вони лише при високих швидкостях

вітру.

Вітрові установки з вертикальною віссю обертання мають меншу

ефективність, чим горизонтальні, оскільки у них, як правило, лише половина

перерізу потоку набігаючого повітря працює з користю, потрапляючи на

область робочого ходу колеса. Проте вони не є чутливими до напрямку вітру.

За способом взаємодії з вітром вітряки поділяють на установки з

жорстко закріпленими лопатями без регулювання і на агрегати, у яких лопаті

можуть змінювати кут.

Ефективність роботи вітрогенератора можна підвищити

розташуванням його в місцях концентрації енергії вітру. При використані

кількох вітроустановок має значення взаємне їх розташування.

Розглядаються два типи вітрогенераторів з вертикальними осями: Дар’є

і Савоніуса. Ці типи вертикальних машин використовуються в міських

середовищах, бо їх вважають більш безпечними через те що вони є тихими

із-за низьких швидкостей обертання.

Для розрахунку полів швидкостей та надлишкового тиску, що

виникають при обтіканні вітроустановки роторного типу, використовується

програма FlowVision, широкі можливості якої дають змогу розв’язувати

різноманітні задачі аерогідродинаміки. Розглянуті також програми SolidWoks

та КОМПАС-3d, що використовується для моделювання геометрії задач

гідроаеродинаміки для наступного розрахунку за допомогою FlowVision.

48

Представлено комп’ютерне моделювання обтікання повітряним потоком

вітрового колеса Савоніуса, отримані поля швидкостей повітряного потоку та

надлишкового тиску в області обтікання ротора вітрогенератора.

49

Список використаних джерел

1. Глиманов А.Н. Методы адаптивных сеток в задачах газовой

динамики. – М.: Наука, Физматлит, 2000, 248с.

2. Дударева Н.Ю., Загайко С.А. SolidWorks 2009 на примерах (+CD). –

С-П: БХВ-Петербург, 2009, 544 с.

3. КОМПАС-3D / Кидрук М.И. – С-П: Издательский дом «Питер» 2009,

880 с.

4. Лепелкин А.М. Аэродинамический расчет винта при нелинейной

зависимости подъемной силы профиля от угла атаки. – М: Гостехиздат,

1958.

5. Лойцянський Л.Г. Механика жидкости и газа. – М: Государственное

издательство технико-теоретической литературы, 1950.

6. Оніпко О.Ф., Коробко Б.П. Мала вітроенергетика. – К., 2000. // Огляд.

Інформ. Сер. – Енергетика. – Вип.1

7. Подгуренко В.С., Бордюгов В.Н. Об ошибочных утверждениях,

дискредитирующих ветроэнергетику // Энергетика и электрификация. – К.,

2000. – № 12. – С.49-53.

8. Применение пакетов прикладных программ при изучении курсов

механики жидкости и газа / Кондранин Т.В., Ткаченко Б.К., Березникова

М.В., Евдокимов А.В., Зуев А.П.: Учебное пособие ― М.: МФТИ, 2005.

9. Редчиц Д.А. Численное моделирование обтекания ротора дарье

вертикально-осевой ветроэнергетической установки // Проблеми

обчислювальної механіки і міцності конструкцій, 2008, вип. 12. С. 157 ―

172.

10. Система моделирования движения жидкости и газа FlowVision.

50

Руководство пользователя. – М.: ТЕСИС, 2006. – 332 с.

11. Слышкин А.С. Описание архитектуры и процесса решения типовых

задач посредством пакета FlowVision / Кафедра системного

программирования: ЮУрГУ, 2007.

12. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. – М. 1948.

13. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. – М.:

Мир, 1991, т.1, 502с., т.2, 552с.

14. Шихайлов Н.А. Проблемы и развитие малой ветроэнергетики в

Украине (Практический опыт ЧП «АВАНТЕ» в издании и эксплуатации

ветросистем малой мощности) // Энергосбережение. – Донецк, 2003. – № 2.

– С. 22 – 26.

15. Brochier G. Water channel experiments of dynamic stall on Darrieus

wind turbine blades / G. Brochier, P. Fraunie, C. Beguier, I. Paraschivoiu //

Journal Propulsion. – 1986. –Vol.2, № 5 – P. 445–449.

51