Моделирование динамики частиц в планетарном пограничном слое и в модельном ветропарке
https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(6)-10
Аннотация
В настоящее время в РФ активно ведется строительство новых ветропарков. Вопросы изучения физических процессов являются актуальными, так как действующие ветропарки оказывают влияние на микроклимат и экологию. В ветропарках возможно появление и движение жидких и твердых частиц. При исследовании двухфазных потоков, содержащих взвесь аэрозольных частиц (дисперсная фаза) в несущей среде (дисперсионная среда) в атмосфере важно правильно выбирать основные параметры, определяющие систему, и адекватно описать реальный процесс при помощи сформулированной математической модели. Работа посвящена разработке новых решателей на базе библиотеки SOWFA в составе открытого пакета OpenFOAM 2.4.0 для изучения моделирования динамики частиц в планетарном (атмосферном) пограничном слое и в модельном ветропарке. Для описания динамики частиц используется эйлер-лагранжев подход. Разработаны два новых решателя на базе ABLSolverи pisoTurbineFoam.ALM для моделирования динамики частиц. Представлены результаты расчета для случая нейтрального пограничного слоя и модельного ветропарка с 14 модельными ветроустановками. Приведены графики для распределения частиц с разным диаметром по высоте. Для расчета одного примера было использовано от 72 до 96 вычислительных ядер.
Ключевые слова
SOWFA,
библиотека,
течение,
моделирование,
решатель,
частицы,
атмосферный пограничный слой,
ветропарк,
скорость,
вязкость,
турбулентность,
высота
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 17-07-01391).
Об авторах
Константин Борисович Кошелев
Институт системного программирования им. В.П. Иванникова РАН
Россия
старший научный сотрудник
Россия
старший научный сотрудник
Сергей Владимирович Стрижак
Институт системного программирования им. В.П. Иванникова РАН
Россия
ведущий инженер
Россия
ведущий инженер
Список литературы
1. Лыкосов В.Н., Глазунов А.В., Кулямин Д.В., Мортиков Е.В., Степаненко В.М. Суперкомпьютерное моделирование в физике климатической системы: учебное пособие. М., Изд.-во Московского университета, 2012 г., 408 стр. / Lykosov V.N., Glazunov A.V., Kulyamin D.V., Mortikov E.V., Stepanenko V.M. Supercomputer modeling in the physics of the climate system: a training manual. M., Publishing House of Moscow University, 2012, 408 p. (in Russian).
2. Зилитинкевич С.С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. М., Физматлит, 2014 г., 252 стр. / Zilitinkevich S.S. Atmospheric turbulence and planetary boundary layers. M., Fizmatlit, 2014, 252 p. (in Russian).
3. Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. Курс лекций. М., ИВМ РАН, 2002 г., 201 стр. / Aloyan A.E. Dynamics and kinetics of gas impurities and aerosols in the atmosphere. Lecture course. M., INM RAS, 2002, 201 p. (in Russian).
4. Береснев С.А., Грязин В.И. Физика атмосферных аэрозолей: Курс лекций. Екатеринбург, Изд-во Урал. ун-та, 2008 г., 227 стр. / Beresnev S.A., Gryazin V.I. Physics of Atmospheric Aerosols: Lecture Course. Yekaterinburg, Publishing House of Ural University, 2008, 227 p. (in Russian).
5. Архипов В.А., Усанина А.С. Движение аэрозольных частиц в потоке: учебное пособие. Томск, Издательский дом Томского государственного университета, 2013 г., 92 стр. / Arkhipov V.A., Usanina A.S. The movement of aerosol particles in a stream: a training manual. Tomsk, Publishing House of Tomsk State University, 2013, 92 p. (in Russian).
6. Fiore G., Selig M. S. A Simulation of Operational Damage for Wind Turbines. In Proc. of the 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2014. pp. 1-19.
7. Fiore G., Fujiwara G.E.C., Selig M.S. A Damage Assessment for Wind Turbine Blades from Heavy Atmospheric Particles. In Proc. of the 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015, pp. 1-22.
8. Sareen A., Sapre C.A., Selig M.S. Effects of leading edge erosion on wind turbine blade performance. Wind Energy, vol. 17, issue 10, 2014, pp. 1531–1542.
9. Trieb F. Interference of Flying Insects and Wind Parks. Study Report. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), 2018, 30 p.
10. Breton S-P, Sumner J., Sorensen J.N., Hansen K.S., Sarmast S., Ivanell S. A survey of modeling 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, article no. A 375:20160097.
11. Churchfield M.J., Moriarty P.J., Vijayakumar G., Brasseur J.G. Wind Energy-Related Atmospheric Boundary Layer Large-Eddy Simulation Using OpenFOAM. In Proc. of the 19th Symposium on Boundary Layers and Turbulence, 2010, 23 p.
12. 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, 2012, article no. 13.
13. Sagaut P. Large eddy simulation for incompressible flows: an introduction. Springer, Berlin, 2001, 319 p.
14. Meneveau C, Lund T S, Cabot W H. A Lagrangian dynamic subgrid-scale model of turbulence. Journal of Fluid Mechanics, vol. 319, 1996, pp. 353–385.
15. Крапошин М.В., Стрижак С.В. Проблемно-ориентированная библиотека SOWFA для решения прикладных задач ветроэнергетики. Труды ИСП РАН, том 30, вып. 6, 2018 г., стр. 259-274 / M.V. Kraposhin, S.V. Strijhak The problem-oriented library SOWFA for solving the applied tasks of wind energy. Trudy ISP RAN/Proc. ISP RAS, vol. 30, issue 6, 2018, pp. 259-274 (in Russian). DOI: 10.15514/ISPRAS-2018-30(6)-14.
16. Zilitinkevich S S, Hunt J C R., Grachev A A, Esau I N, et al. The influence of large convective eddies on the surface layer turbulence. // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 2006. 132 1423- 1456.
17. Huang J., Cassiani M., Albertson J. D. Analysis of coherent structures within the atmospheric boundary layer. // Boundary-Layer Meteorology. 2009, 131 147–171.
18. Shah S., Bou-Zeid E. Very-Large-Scale Motions in the Atmospheric Boundary Layer Educed by Snapshot Proper Orthogonal Decomposition. Boundary-Layer Meteorology, vol. 153, issue 3, 2014, 355-387.
19. Yu H., Liu S.C., Dickinson R.E. Radiative effects of aerosols on the evolution of the atmospheric boundary layer. Journal of Geophysical Research, volume 107, issue D12, 2002, pp. AAC 3-1 – AAC 3-14.
20. Lauros J., Nilsson E.D., Dal Maso M., Kulmala M. Contribution of mixing in the ABL to new particle formation based on observations. Atmospheric Chemistry and Physics, vol. 7, 2007, pp. 4781–4792.
21. Hancock P.E., Farr T.D. Wind-tunnel simulations of wind-turbine arrays on neutral and non-neutral winds. Journal of Physics: Conference Series, vol. 524. 2014, article no. 012166.
22. Tellez-Alvarez J., Koshelev K., Strijhak S., Redondo J.M. Simulation of turbulence mixing in the atmosphere boundary layer and analysis of fractal dimension. Physica Scripta, vol. 94, no. 6, 2019, article no. 064004.
23. Hancock P.E., Pascheke F. Wind-Tunnel Simulation of the Wake of a Large Wind Turbine in a Stable Boundary Layer: Part 2, the Wake Flow. Boundary-Layer Meteorology, vol. 151, 2014, pp. 23–37.
24. Крючкова А.С., Стрижак С. В. Моделирование вихревого следа для случая двух модельных ветроустановок. Научный вестник МГТУ, том 21, № 1, 2018 г., стр. 40-48 / Kryuchkova A.S., Strijhak S.V. Modelling of turbulent wake for two wind turbines. Civil Aviation High Technologies, vol. 21, № 1, 2018, pp. 40-48 (in Russian.)
25. Kryuchkova A., Tellez-Alvarez J., Strijhak S., Redondo J.M. Assessment of Turbulent Wake Behind Two Wind Turbines Using Multi-Fractal Analysis. Ivannikov ISPRAS Open Conference, 2017, pp. 110-116.
26. Strijhak S.V., Koshelev K.B., Kryuchkova A.S. Studying parameters of turbulent wakes for model wind turbines. AIP Conference Proceedings, vol. 2027, issue 1, 2018, article no. 030086.
27. Tellez-Alvarez J., Strijhak S., Kharchi R., Kryuchkova A., Redondo J.M. 3D Numerical Simulation of Wind Turbines and Fractal Dimension Analysis. In Proc. of the 2018 International Conference on Wind Energy and Applications in Algeria, 2018, 5 p.
28. Strijhak S.V., Koshelev K.B., Kryuchkova A.S. Simulation of turbulent wakes in model wind farm with arbitrary location for wind turbines. Journal of Physics: Conference Series, vol. 1382, 2019, article no. 012043.
Рецензия
Для цитирования:
Кошелев К.Б., Стрижак С.В. Моделирование динамики частиц в планетарном пограничном слое и в модельном ветропарке. Труды Института системного программирования РАН. 2019;31(6):177-186. https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(6)-10
For citation:
Koshelev K.B., Strihhak S.V. Simulation of particle dynamics in planetary boundary layer and in a model wind farm. Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS (Proceedings of ISP RAS). 2019;31(6):177-186. (In Russ.) https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(6)-10
Послать статью по эл. почте 