Проблемно-ориентированная библиотека SOWFA для решения прикладных задач ветроэнергетики

В статье рассматриваются возможности открытой библиотеки SOWFA. Проблемно-ориентированная библиотека, работающая в составе открытого пакета OpenFOAM v.2.4.0, предназначена для решения задач ветроэнергетики. В связи со строительством новых ветропарков на территории РФ (Ульяновская область, республика Адыгея) вопросы проектирования, моделирования работы ветропарков и ветроустановок являются актуальными в настоящее время. В статье приводится описание структуры библиотеки SOWFA и некоторых ее классов. Изучение динамики самоорганизованных турбулентных вихревых структур и оценка их размеров важны с точки зрения максимизации вырабатываемой мощности ветроэлектрическими установками (ВЭУ), для анализа оптимального расположения ВЭУ в ветропарке. При этом необходимо детально изучать процесс эжекции воздуха, процесс смещения двух сред, в котором одна среда, находясь под давлением, оказывает воздействие на другую и увлекает ее в требуемом направлении, в районе ветропарке. Явление эжекции играет положительную роль и позволяет восстановить дефицит скорости в следе за ВЭУ, следовательно повлиять на вырабатываемую мощность ветропарка. Явление эжекции можно изучать с помощью движения твердых частиц. В статье описывается пример добавления нового класса KinematicCloud в решатель ABLSolver, который описывает кинематическое облако частиц и пример решения прикладной задачи ветроэнергетики для модельного ветропарка. Расчетная область для модельного ветропарка имела форму параллелепипеда с заданными размерами. Неструктурированная сетка содержала 6 миллионов ячеек. Для определения начального распределения параметров использовалось приближение нейтрального атмосферного пограничного слоя, рассчитанное с применением Precursor метода, реализованного в решателе ABLSolver. Математическое моделирование параметров течения в ветропарке было проведено с использованием решателя pisoFoamTurbine и метода Actuator Line Model. В ходе расчета для случая модельного ветропарка с 12 ветроустановки были получены поля осредненных и пульсационных величин для скорости, для давления, подсеточная вязкость, тензор напряжени, завихренность. В статье выполнено сравнение значения безразмерной горизонтальной скорости в двух различных сечениях со значениями, полученными в эксперименте. Вычисления проведены с использованием ресурсов вычислительного кластера web-лаборатории UniCFD ИСП РАН.

библиотека, модель турбулентности, облако частиц, ветроустановка, ветропарк, ветроэнергетика, OpenFOAM, SOWFA

1. Прата С. Язык программирования C++. Лекции и упражнения. Вильямс, 2012, 1248 стр.

2. Страуструп Б. Язык программирования C++. Специальное издание. Бином, 2017, 1136 с.

3. Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object oriented techniques. Computers in Physics, vol.12, № 6, 1998, pp. 620-631.

4. Churchfield M.J., Lee S., Michalakes J., Moriarty P.J. A numerical study of the effects of atmospheric and wake turbulence on wind turbine dynamics. Journal of Turbulence, vol. 13, no. 14, 2012, pp. 1–32.

5. Breton S.-P., Sumner J., Sørensen J.N., Hansen K.S., Sarmast S., Ivanell S. A survey of modelling methods for high-fidelity wind farm simulations using large eddy simulation. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 375, issue 2091, 2017.

6. Sagaut P. Large eddy simulation for incompressible flows: an introduction. Springer, Berlin, 2002, 426 p.

7. Andersen S.J., Sørensen J.N., Mikkelsen R.F. 2017 Turbulence and entrainment length scales in large wind farms. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 375, issue 2091, 2017.

8. Hancock P.E., Farr T.D. Wind-tunnel simulations of wind-turbine arrays in neutral and non-neutral winds. Journal of Physics: Conference Series, vol. 524, conference 1, 2014.

9. Strijhak S., Redondo J.M., Tellez-Alvarez J. Multifractal analysis of a wake for a single wind turbine. In Proc. of the Conference on Topical Problems of Fluid Mechanics, 2017. pp. 275-284.

10. Kryuchkova A., Tellez-Alvarez J., Strijhak S., Redondo J.M. Assessment of Turbulent Wake Behind two Wind Turbines Using Multi-Fractal Analysis. In Proc. of the Ivannikov ISPRAS Open Conference, 2017. DOI: 10.1109/ISPRAS.2017.00025.

11. Strijhak S.V., Koshelev K.B., Kryuchkova A.S. Studying parameters of turbulent wakes for model wind turbines. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2027, issue 1.