2025.11.05---Ду Ян---Презентация

1.

Ду Ян
Расчетно-теоретическое исследование аэродинамической устойчивости
вертикально-осевой ветротурбины в условиях обледенения
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Специальность: 2.4.5 Энергетические системы и комплексы
Кафедра АСиВИЭ
Екатеринбург - 2025
Научный руководитель:
д-р техн. наук,
Велькин Владимир Иванович

2.

Мировые установленные мощности ветроэнергетики
No.
Страна
Всего
мощности
установок
2024 (ГВт)
Новые
мощности
установок
2024 (ГВт)
Темпы
роста
2024/2023
1
Китай
561,5
86,9
18,3%
2
США
154,6
4,2
2,8%
3
Германия
72,7
3,2
4,6%
4
Индия
48,2
3,4
7,7%
5
Бразилия
34
5,4
19%
6
Великобритания
32,4
2,2
7,3%
7
Испания
32
1,2
3,9%
8
Франция
24,4
0,9
3,9%
9
Канада
18,4
1,4
8,5%
10
Швеция
17,3
1
6,2%
11
Остальной мир
178,1
11,5
6,9%
2

3.

Актуальность темы исследования
Ветроэнергетика является ключевым направлением развития
технологий возобновляемых источников энергии.
Большинство стран с развитой ветроэнергетикой, расположенных
в холодных регионах Северного полушария, имеют период низких
температур.
Обледенение лопастей ВЭУ изменяет геометрию
аэродинамического лопасти, ухудшая аэродинамические
характеристики установки.
Обледенение влияет на распределение нагрузок по лопасти,
структурную целостность и ресурс усталости ВЭУ, повышая
риски безопасности.
Исследования обледенения ВЭУ имеют важное значение.
3

4.

Преимущества вертикально-осевой ВЭУ
Работает при любом направлении ветра без дорогостоящих
механизмов поворота;
Имеет упрощённую геометрию лопастей без продольной
крутки, что делает их простыми в изготовлении;
Генератор может быть установлен в основании ВЭУ, что
положительно влияет на динамические характеристики
конструкции;
Затраты на транспортировку, установку и техническое
обслуживание являются относительно низкими
Влияние аэродинамического шума не является заметной.
4

5.

Цель и задачи исследования
Цель:
Разработать методику расчетного исследования для оценки аэродинамической устойчивости
вертикально-осевых ВЭУ, работающих в условиях обледенения.
Задачи:
1. Разработать геометрическую модель симметричных лопастей для применения в вертикальноосевых ВЭУ.
2. Проанализировать закономерности изменения аэродинамических характеристик статических
лопастей в условиях обледенения при различных углах атаки.
3. Построить геометрическую модель вертикально-осевых ВЭУ Н-типа на основе симметричных
лопастей. Исследовать закономерности изменения аэродинамических характеристик
вертикально-осевых ВЭУ до и после обледенения с учетом их вращательного движения.
4. Проанализировать влияние обледенения на динамическую устойчивость лопастей
вертикально-осевых ВЭУ в условиях вращательного движения.
5

6.

Положения, выносимые на защиту
1. Результаты расчётов изменения аэродинамических параметров симметричного лопасти для
вертикально-осевых ВЭУ в условиях обледенения и при различных углах атаки, включая
коэффициент подъёмной силы, коэффициент лобового сопротивления, эффективность
улавливания капель, формы обледенения, коэффициент давления, контур скорости.
2. Результаты расчётов изменения аэродинамических параметров лопастей вертикально-осевых
ВЭУ до и после обледенения при оптимальном коэффициенте быстроходности с учётом их
вращательного движения, включая коэффициент мощности, коэффициент крутящего момента,
форму обледенения, коэффициент давления, контур мгновенной завихрённости.
3. Результаты расчетов изменения динамической устойчивости лопасти вертикально-осевых ВЭУ
при различных условиях обледенения с учётом их вращательного движения, включая контур
давления, частота колебания, форма колебаний, отклик на деформацию, отклик на напряжение.
6

7.

Научная новизна
1. Впервые предложена методика, позволяющая сравнивать зоны воздействия водяных капель и
зоны обледенения на верхней и нижней поверхностях лопасти при численном моделировании
обледенения статического лопасти вертикально-осевых ВЭУ в программном пакете ANSYS.
2. Впервые применен метод квазистационарного приближения и разработана схема численного
моделирования с различными приращениями азимутального угла для моделирования
процесса обледенения вращающихся лопастей вертикально-осевых ВЭУ.
3. Впервые исследованы различные режимы обледенения при различных условиях обледенения
поверхностей лопастей для сравнения колебательных характеристик вертикально-осевых ВЭУ.
4. Предложена методика определения максимального перемещения обледенелой лопасти на
основе сравнительного анализа её смещений по трём степеням свободы.
7

8.

Дорожная карта исследования
Программа: ANSYS-Fluent, DROP3D, ICEM3D
Метод SMT: Метод скользящих сеток (sliding
mesh technique)
Метод MRF: Метод множественных систем
отсчета (multiple reference frame)
Работа включает:
1. Определение характеристики
движения воздушного потока
без обледенения;
2. Определение характеристики
движения капель воды;
3. Расчёт формы обледенения;
4. Определение характеристики
движения воздушного потока и
колебания лопасти в условиях
обледенения
8

9.

3D модель и векторная диаграмма движения
Профиль
NACA0018
хорда профиля (c)
0.125 м
Диаметр ВЭУ (D)
0.44 м
Высота лопасти (H)
0.25 м
Материал
стеклопластик
Допускаемое
напряжение
320МПа
Рис. Векторная диаграмма движения лопасти вертикально-осевых ВЭУ
Азимутальный угол поворота лопасти: