Методика решения задач аэроупругости для лопасти ветроустановки с использованием СПО

В связи с развитием ветроэнергетики и строительством новых ветропарков в РФ возникает потребность в решении ряда прикладных задач и разработке эффективных методик расчета элементов ветроустановок. Одно из направлений в задачах механики сплошной среды связано с задачами аэроупругости. В данной статье показана возможность решения связанной задачи аэроупругости с использованием программного комплекса на базе свободного программного обеспечения OpenFOAM и Code_Aster. На примере лопасти ветроустановки длиной 61.5 метра рассмотрены методики решения задач статической и динамической аэроупругости, в которых расчет обтекания лопасти дозвуковым набегающим потоком воздуха производится в пакете OpenFOAM (решатели simpleFOAM и pimpleFOAM), а расчет напряженно-деформированного состояния лопасти производится в пакете Code_Aster. В статье приводятся блок-схемы для трех различных подходов решения задачи аэроупругости, примеры скриптов и командных файлов для передачи данных между пакетами в процессе расчета. Контрольно-объемная сетка, состоящая их гексаэдральных элементов, для расчета обтекания лопасти построена в пакете OpenFOAM, конечно-элементная сетка, состоящая из треугольных оболочечных элементов первого порядка, для расчета напряженно-деформированного состояния построена в пакете Salome-Meca. Результаты расчета представлены в форме полей для давления и скорости; зависимостей для невязкок давления, скорости, турбулентной вязкости; проекций аэродинамической силы от времени; эпюр перемещения и напряжения; значений давления и перемещения для двух точек на поверхности лопасти от времени. Расчеты выполнены с использованием ресурсов web-лаборатории UniHUB ИСП РАН.

аэроупругость, ветроустановка, лопасть, Code_Aster, OpenFOAM, модель турбулентности, решатель, статический расчет, динамический расчет, частота, перемещения, напряжение, расчеты, web-лаборатория

1. Бисплингхофф Р.Л., Эшли Х., Халфмэн Р.Л. Аэроупругость. М. Изд-во Иностр. лит. 1958, 800 с.

2. Горшков А.Г., Морозов В.И., Пономарев А.Т., Шклярчук Ф.Н. Аэрогидроупругость конструкций. М.: Физматлит, 2000, 592 cтр.

3. Tukovic Z., Jasak H., Updated Lagrangian finite volume solver for large deformation dynamic response of elastic body. Transaction of FAMENA XXX (1), 2007, pp. 599–608.

4. Kotsur O., Scheglov G., Leyland P. Verification of modelling of fluid structure interaction (FSI) problems based on experimental research of bluff body oscillations in fluids. In Proceedings: 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, 2014.

5. Sekutkovski B., Kostic I., Simonovic A., Cardiff P., Jazarevic V. Three-dimensional fluid-structure interaction simulation with a hybrid RANS-LES turbulence model for applications in transonic flow domain. Aerospace Science and Technology, vol. 49, 2016, pp. 1-16.

6. Benra F.-K., Dohmen H. J., Pei J., Schuster S., Wan B. A Comparison of One-Way and Two-Way Coupling Methods for Numerical Analysis of Fluid-Structure Interactions. Journal of Applied Mathematics. Article ID 853560, 2011, p. 16, doi:10.1155/2011/853560

7. Resor B. R. Definition of a 5MW/61.5m Wind Turbine Blade Reference Model. SANDIA REPORT SAND2013-2569 Unlimited Release, Printed April 2013, pp.1-53.

8. Jonkman J., Butterfield S., Musial W., Scott G. Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development, National Renewable Energy Laboratory. US, Colorado, Technical Report NREL/TP-500-38060, February 2009, p. 75.

9. 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.

10. Крапошин М.В., Самоваров О.И., Стрижак С.В. Особенности реализации Web-лаборатории механики сплошной среды на базе технологической платформы программы “Университетский кластер”. Труды международной суперкомпьютерной конференции, 2011.

11. UniHUB: сайт. Режим доступа: http://www.unicluster.ru/unihub.html (дата обращения: 13.11.2017).

12. Strijhak S., Redondo J.M., Tellez J. Multifractal analysis of a wake for a single wind turbine. Topical Problems of Fluid Mechanics 2017: Proceedings, 2017. pp. 275-284.