APPLICATION OF COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGIES FOR THE SOLUTION OF AERODYNAMIC PROBLEMS

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.019

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РЕШЕНИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Научная статья

Проскурин А.Ю.*

ORCID: 0000-0001-8723-1343,

Московский государственный строительный университет, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (proskurinayu[at]mgsu.ru)

Аннотация

В настоящее время ветроэнергетика является одним из наиболее развивающихся направлений, что обусловлено, прежде всего, отсутствием выбросов вредных веществ в атмосферу. Ветроэнергетика позволяет обеспечить электроэнергией отдаленные районы, где доставка топлива, а также строительство тепловых электростанций трудоемки и затратны. Электрогенератор для бытовой ветроустановки должен обеспечивать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и иметь возможность автономной работы без автоматики и внешних источников энергии. Исследование численной реализации метода аэродинамического анализа лопасти ветрогенератора во вращательном движении в программном комплексе ANSYSCFD на сегодняшний день является наиболее перспективным и динамично развивающимся направлением в области расчетов аэродинамики. Предварительно представлены результаты апробации смешанного метода расчета с использованием динамически изменяемой и стационарной конечно-объемной сетки. Использование смешанной расчетной схемы позволяет проводить расчеты ветровых турбин внутри здания, при этом появляется возможность минимизировать необходимую для исследования мощность.

Ключевые слова: численное моделирование, аэродинамические процессы, AnsysCFD, энергоэффективность, альтернативные источники энергии в строительстве, ветротурбина, лопасть ветротурбины, уравнения Навье-Стокса.

APPLICATION OF COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGIES FOR THE SOLUTION OF AERODYNAMIC PROBLEMS

Research article

Proskurin A.Y.*

ORCID: 0000-0001-8723-1343,

Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia

* Corresponding author (proskurinayu[at]mgsu.ru)

Abstract

Currently, wind energy is one of the most rapidly developing spheres, which is primarily due to the absence of harmful emissions into the atmosphere. Wind power provides electricity to remote areas where fuel delivery and the construction of thermal power plants are labor-intensive and costly. An electric generator for a household wind turbine should provide electricity in a wide range of rotative speed and be able to operate independently without automation or external energy sources. The study of the numerical implementation of aerodynamic analysis method of the wind turbine blade in rotative motion in the software complex ANSYS CFD today is the most promising and dynamically developing direction in the field of aerodynamics calculations. The results of preliminary approbation of the mixed-mode calculation method with the use of dynamically variable and stationary finite-volume mesh are presented. The use of mixed wind turbine calculation allows its work inside the building, and so it becomes possible to minimize the power required for the research.

Keywords: computational simulation, aerodynamic processes, Ansys CFD, energy efficiency, alternative sources of energy in construction, wind turbine, wind turbine blade, Navier–Stokes equations.

Введение

Задача создания энергонезависимых зданий в современном мире очень важна для всего мира. Ресурсы Земли неумолимо иссякают и человечеству необходимо уделять большое внимание разработке новых альтернативных источников энергии. Современные архитектурные решения при строительстве мегаполисов стремятся использовать высокотехнологичные фотоэлектрические фасады, и гибкие солнечные мембраны для получения солнечной энергии, необходимой для возведения объектов капитального строительства. Благодаря совместному использованию энергии ветра и солнца, у нас есть возможность спроектировать здание, объединяющее различные методы получения экологически чистой энергии, что в свою очередь позволит довести здание до предполагаемой полной самодостаточности в электроэнергии.

Методы и принципы исследования

Для решения проблемы оценки аэродинамических характеристик была принята однолопастная ортогональная высокоэффективная турбина. (патент США Виктор Лятхер, US 8007235 B1, 30 августа 2011 г., патент РФ 2426911 C1). Поскольку профиль исследуемой лопатки соответствует в поперечном сечении авиационному профилю NACA-0021, было решено принять геометрические характеристики в соответствии со справочными материалами. [1] Сечение исследуемого профиля лопатки (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Поперечное сечение исследуемого профиля лопатки

Целью данной работы является тестирование методики численного моделирования серии лопастей ветрогенератора внутри пространства здания с учетом проектных особенностей, позволяющих искусственно увеличить скорость воздушного потока. Проблемой данной задачи является поиск геометрических характеристик позволяющих искусственно увеличить скорость воздушного потока, а также дать оценку энергоэффективности работе серии лопаток при совместной эксплуатации. На данный момент исследование заключается в определении аэродинамических характеристик и средней оценке энергоэффективности установки, а также поиске расчетной модели, позволяющей увеличить скорость набегающего воздушного потока. В качестве метода исследования было использовано компьютерное моделирование воздушного потока вокруг лопасти ветровой турбины в программном пакете ANSYS [2].

Решение нестационарного уравнения Навье-Стокса выполняется в каждый расчетный момент времени с учетом предыдущих результатов, полученных на предыдущем шаге. Этот метод очень трудоемкий и ресурсоемкий, но он позволяет анализировать поведение потока при обтекании вокруг вращающегося тела [3].

Этапы исследования сеточной сходимости

Поскольку нет данных, по которым представляется возможным определить параметры рассчитанной сетки, был сделан вывод о необходимости проведения серии проверочных расчетов. Геометрические параметры сеток (см. таблицу 1).

С помощью встроенного модуля AnsysWorkbenchMeshing была создана тетраидальная сетка.[4] Во всех случаях размер ячейки в области цилиндра и в хвостовой части сетки имел одинаковый размер 0,06 м; во внешней области размер принимался равным 0,75 м. Задача решалась для четырех вариантов расчетной сетки с целью нахождения оптимальных параметров расчетной сетки. Для получения точных результатов необходимо создать область пограничного слоя по всему профилю лопатки. Размер пограничного слоя определялся на основе геометрии профиля, числа Рейнольдса и модели турбулентности [5], [6].

Таблица 1 – Геометрические параметры сеток

Модель	Гидравлический диаметр	Число Рейнольдса	Расчетный Y +	Расчетное расстояние от стенки	Сгущение сетки в продольном направлении
1	0,38	5,0e+4	1	1,3e-4	1,0e-2
2	0,38	5,0e+4	40	5,0e-3	5,0e-2
3	0,38	5,0e+4	50	6,3e-3	1,0e-2
4	0,38	5,0e+4	80	1,0e-2	1,0e-2

Ниже приведены результаты задач верификации, значения аэродинамических характеристик при различных геометрических характеристиках и различных коэффициентах Y+.(см. таблицу 2,3).

Таблица 2 – Сравнение аэродинамических коэффициентов с экспериментальными данными (Cd, Cl, Cm) для всех вариантов расчета (Y + = 1, Y + = 40, Y + = 50, Y + = 80)

Y +	Cd (эксперимент)	Cd (расчет)	Cd (погрешность)	Cl (эксперимент)	Cl (расчет)	Cl (погрешность)	Cm (эксперимент)	Cm (расчет)	Cm (погрешность)
1	0,042	0,029	-30,9 %	0,79	0,469	-40,6%	-0,045	-0,018	-60%
40	0,042	0,024	-42,85%	0,79	0,7	-11,39%	-0,045	-0,028	-37,7%
50	0,042	0,039	-19,04%	0,79	0,72	-8,86%	-0,045	-0,039	13,6%
80	0,042	0,0323	-23,09%	0,79	0,749	-5,189%	-0,045	-0,03	-33,3%

Таблица 3 – Сравнение аэродинамических коэффициентов (Cd, Cl, Cm) для всех вариантов расчета (Y + = 1, Y + = 40, Y + = 50, Y + = 80)

Y +	50 (эксперимент)	1	погрешность	50 (эксперимент)	40	погрешность	50 (эксперимент)	80	погрешность
Cd	0,034	0,029	20,8%	0,024	0,024	0%	0,034	0,0223	-7,1%
Cl	0,72	0,469	-34,9%	0,72	0,7	-2,7%	0,72	0,749	4,1%
Cm	-0,039	-0,02	-37,8%	-0,039	-0,03	-3,4%	-0,039	-0,03	7,1%

После анализа и сравнения результатов расчетных параметров CFD-расчетов с результатами, представленными в справочном материале, модель Y + 50 является наиболее точной для проведенного нестационарного расчета на основе предыдущего опыта, который показал наименьшую ошибку при определении аэродинамических коэффициентов в совокупности. При оценке коэффициента сопротивления наибольшая ошибка составляет -46,9%, коэффициента подъемной силы -40,6%, коэффициента подъемной силы – 60%.

В результате верификационных исследований наименьшее расхождение критериальных параметров с экспериментальными данными было получено для расчетного случая с Y+ = 50, поэтому было принято решение использовать данную сетку в качестве расчетной сетки для моделирования вращающейся лопатки под действием аэродинамической нагрузки.

Граничные и начальные условия. Параметры расчета

Расчетная геометрия представлена в виде круга, что позволяет исследовать проблему при различных углах вхождения воздушного потока. Скорость потока была принята равной 15 м/с с процентом турбулентности до 7%. С обеих сторон модели условия были построены таким образом, чтобы учесть кривизну круга и смоделировать обтекание перпендикулярно лопасти ветряной турбины. В нижней части модели были приняты условия "стенки скольжения" (FreeSlipWall, U = V = W = 0 м/с). В верхней части были заданы открытые граничные условия. Внутри основной цилиндрической области была задана г-образная труба с прямоугольным сечением. Данная геометрия была принята исходя из соображений, что в данной расчетной модели имеется возможность создать эффект «сквозняка». Поскольку с наветренной стороны и подветренной возникает разница давлений, поток воздуха стремился бы выровнять данный дисбаланс, что привело бы к увеличению скорости потока воздуха, проходящего через трубу.[7] Ниже изображена геометрическая модель, выполненная в программном пакете AutodeskAutoCad.

Рис. 2 – Расчетная модель в программном пакете AutodeskAutoCad

Основные результаты

Расчеты проводились в трехмерной нестационарной постановке [8]. Для аэродинамических расчетов Re = 50 000 приведены следующие основные физические характеристики потока.

На рис. 4-7 представлены основные результаты вычислительных исследований, выполненных при обтекании серии лопастей ветро-турбин в различные моменты времени, анализ аэродинамических характеристик.

Рис. 4 – Изополя давления

Рис. 6 – Изополя кинетической энергии турбулентности

Расчет энергоэффективности

К сожалению, исходных данных недостаточно для полного анализа данных по энергоэффективности, однако, известные размеры позволяют определить количество вырабатываемой энергии на основе площади «ометания» [9].

В таблице 4 приведены значения генерируемой энергии при различных скоростях воздушного потока. Эти значения рассчитаны на основе размера площади метания.

Таблица 4 – Сводная таблица выработки электроэнергии

Скорость потока, м/с	Плотность воздуха, кг/м3	Количество выработанной энергии одной лопаткой, кВт	Количество выработанной энергии системой лопаток, кВт
2	1,185	0,09	0,27
5	1,185	1,475	4,425
10	1,185	11,8	35,4
15	1,185	39,8	119,4
20	1,185	94,4	283,2
25	1,185	184,3	552,9

Обсуждение

Как видно из таблицы 4, при скорости потока 25 м/с лопасть практически полностью позволяет снабжать энергией значительное количество систем дома. Это позволяет сделать вывод, что большое количество таких генераторов сможет заменить нынешние "вредные" электростанции на более экологичные. Реализована задача по исследованию геометрических особенностей конструкций для увеличения скорости потока воздуха при обтекании лопаток ветрогенератора.

Однако, исследование физики процесса показывает необходимость включить разность температур внутри трубы и окружающей среды, что будет являться вопросом исследования следующего отчетного периода.

Заключение

Как видно из таблицы 4, при скорости потока в 25 м/с лопатка практически полностью позволяет обеспечить энергией небольшой дом. Использование серии ветрогенераторов позволяет увеличить объем вырабатываемой энергии. Использование дополнительных методов получения «чистой» энергии позволит вывести здание на полное самообеспечение электроэнергией.

Решение текущих задач показало состоятельность проекта и его актуальность, в дальнейшем необходимо провести численное решение связной задачи которая будет состоять из расчета несущей способности здания с учетом аэродинамической составляющей и параллельным расчетом ветровой установки на энергоэффективность и аэродинамические характеристики и передачу вибраций от вращения ветрогенератора.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Справочник Авиационных Профилей. [Электронный ресурс]. URL: http://kipla.kai.ru/liter/Spravochnic_avia_profiley.pdf (дата обращения: 12.04.2022)
2. Гарбарук А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. Учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур. – Санкт-Петербург, 2012.
3. Луцкий А.Е. Простейшая реализация метода пристеночных функций / А.Е. Луцкий, А.В. Северин. – Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. – 2013. – № 038. – 22 с.
4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. – 36 с.
5. Кожухов Ю.В. Численный эксперимент в программном комплексе ansyscfx для рабочего колеса и без лопаточного диффузора модельной центробежной компрессорной ступени средней быстроходности / Ю.В. Кожухов, Л.В. Решетникова, Г.И. Жалмурзиева // XLI Неделя науки СПбГПУ.: материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. – Санкт-Петербург : изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 104 с.
6. Горлин С.М. Экспериментальная аэродинамика / С.М. Горлин. – Москва : Высшая школа, 1970. – 423 с.
7. Берг О.И. Принципы построения и элементы систем управления автономных комплексов электроснабжения на возобновляемых источниках энергии / О.И. Берг. – 2015. – 88 с.
8. ANSYS CFX 14.5: User's Manual / ANSYS Inc. – 2014. [Electronic resource]. URL: http://www.ansys.com (accessed: 12.04.2022)
9. ANSYS, Inc., “ANSYS 15 Help”. – 2014. [Electronic resource]. URL: http://www.ansys.com (accessed: 12.04.2022)

Список литературы на английском языке / References in English

1. Spravochnik Aviacionnyh Profilej [Handbook Of Aviation Profiles]. [Electronic resource]. URL: http://kipla.kai.ru/liter/Spravochnic_avia_profiley.pdf (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
2. Garbaruk A.V. Modelirovanie turbulentnosti v raschetah slozhnyh techenij [Turbulence modeling in calculations of complex flows]. Textbook / A.V. Garbaruk, M.H. Strelets, M.L. Shur. – Saint Petersburg, 2012. [in Russian]
3. Lutsky A.E. Prostejshaja realizacija metoda pristenochnyh funkcij [The simplest implementation of the method of wall functions] / A.E. Lutsky, A.V. Severin. – Preprints of IPM named after M.V. Keldysh. – 2013. – № 038. – 22 p. [in Russian]
4. Schlichting G. Teorija pogranichnogo sloja [Theory of the boundary layer] / G. Schlichting. – 36 p . [in Russian]
5. Kozhukhov Y.V. Chislennyj jeksperiment v programmnom komplekse ansys cfx dlja rabochego kolesa i bez lopatochnogo diffuzora model'noj centrobezhnoj kompressornoj stupeni srednej bystrohodnosti [Numerical experiment in the ansys cfx software package for an impeller and without a paddle diffuser of a model centrifugal compressor stage of medium speed] / Y.V. Kozhukhov, L.V. Reshetnikova, G.I. Zhalmurzieva // XLI Nedelja nauki SPbGPU.: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [XLI Week of Science of St. Petersburg State University.: materials of the international scientific and practical conference]. Part III. – St. Petersburg : Publishing House of the Polytechnic. Un. – 2012. – 104 p. [in Russian]
6. Gorlin S.M. Jeksperimental'naja ajerodinamika [Experimental aerodynamics] / S.M. Gorlin. – Moscow : Higher school, 1970. – 423 p. [in Russian]
7. Berg O.I. Principy postroenija i jelementy sistem upravlenija avtonomnyh kompleksov jelektrosnabzhenija na vozobnovljaemyh istochnikah jenergii [Principles of construction and elements of control systems of autonomous power supply complexes on renewable energy sources] / O.I. Berg. – 2015. – 88 p. [in Russian]
8. ANSYS CFX 14.5: User's Manual / ANSYS Inc., 2014. [Electronic resource]. URL: http://www.ansys.com (accessed: 12.04.2022)
9. ANSYS, Inc., “ANSYS 15 Help”, 2014. [Electronic resource]. URL: http://www.ansys.com (accessed: 12.04.2022)