Развитие и применение оптико-лазерных методик для повышения эффективности ветрогенераторов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Кабардин Иван Константинович

Развитие и применение оптико-лазерных методик для повышения эффективности ветрогенераторов

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯНВ 2015

Новосибирск 2014

005557216

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители:

д.т.н., профессор

Меледин Владимир Генриевич

д.ф.-м.н., доцент

Окулов Валерий Леонидович

Официальные оппоненты:

1. Ахметов Дарвин Газизович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт гидродинамики им М.А. Лаврентьева Сибирского отделения РАН, старший научный сотрудник.

2. Кирьянов Валерий Павлович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Защита состоится 30 января 2015 г. в 9 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д003.035.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук на базе ФГБУН Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская 4/1 (факс (383) 330-72-68)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, http://itam.nsc.ru/ru/thesis/.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба отправлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Засыпкина И.М.

Автореферат разослан ' " декабря 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В последнее время наблюдается интенсивный рост ветроэнергетики. Ее статус изменился от одиночных альтернативных источников энергии до индустриального использования в сетевых электростанциях. В связи с этим интерес к задачам ветроэнергетики у исследователей значительно возрос.

Данная работа направлена на повышение эффективности ветрогенераторов, которые для увеличения эффективности часто объединяют в ветро-электростанции - в большие парки или группы, расположенных друг за другом ветряков. Такая конфигурация требует оптимизации рабочих режимов для ветрогенераторов, расположенных в вихревом следе за предыдущим, с целью повышения их эффективного использования в ветроэлектростанциях и интегрирования в энергетическую систему. Отклонение от расчетного оптимального режима работы турбин обычно сопряжено с их эксплуатацией при высоком уровне нестационарных пульсаций течения из-за взаимодействия с его вихревыми структурами следа за ротором в областях с пониженной скоростью ветра. Данные вихревые следы является источником повышенных нестационарных пульсаций на лопатках следующей турбины, что увеличивает их вибрационную нагрузку и, следовательно, уменьшает срок эксплуатации ротора турбин. Поэтому особый интерес представляет задача исследования механизма формирования, развития неустойчивости и разрушения следа за ротором. В настоящее время исследование и управление нестационарными явлениями в следах за роторами ветрогенераторов с целью минимизации их негативного воздействия является приоритетной задачей. Следует подчеркнуть, что существующая сейчас практика решения этой проблемы базируется на поиске локальных средств устранения конкретного негативного нестационарного явления, обнаруженного при создании или эксплуатации конкретных установок, а целенаправленного изучения научно-технической проблемы в целом до сих пор не проводилось.

Еще одна проблема, возникающая при эксплуатации ветрогенераторов в суровых климатических условиях России и северных стран, связана с изменением аэродинамики ротора при обледенении его лопастей. Обледенение лопастей является причиной множества проблем для ветрогенераторов. В случае крайней степени обледенения вследствие существенного изменения веса лопастей иногда даже становится невозможным запустить турбину в рабочем режиме, что может вызвать потери производства энергии в течение достаточно длительных промежутков времени. Кроме того, накопление льда на лопастях турбины нарушает аэродинамику, может уменьшить количество произведенной энергии и перегрузить турбину. Обледенение лопастей также ведет к лишней нагрузке на лопасти, что увеличивает их износ и усталость, сокращая время работы турбины. Наличие наледи на лопастях при их вращении имеет опасность неконтролируемого отрыва ледяных кусков с краев лопатки. Это опасно для обслуживающего персонала, может повлиять на общественное признание использования энергии ветра или потребует использование больших площадей

для ограждения вокруг ветровых турбин. Меры по предупреждению и борьбы с обледенением хорошо себя зарекомендовали, но, несмотря на существенный прогресс в этой области, существует недостаток надежных методов диагностики обледенения, необходимых для запуска и контроля работы анитиобледенитель-ных систем. Предшественниками были испытаны различные методы и датчики, но все они пока не дают удовлетворительного результата.

Целью диссертационной работы является исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора с помощью современных бесконтактных оптико-лазерных методов диагностики и развитие оптико-лазерных методик диагностики обледенения его лопастей.

Задачи исследований:

1 .Экспериментальное исследование и диагностика оптико-лазерными методами вихревых структур, возникающих в следе при обтекании ротора ветрогенератора. Определение их геометрических и топологических свойств для разных режимов течения за ротором модели ветрогенератора.

2. Изучение изменения пульсационных характеристик следа за ротором и определение закономерностей их развития. Классификация областей развития вихревого следа на основе его пульсационных характеристик.

3. Разработка оптико-лазерных методик, позволяющих проводить бесконтактные дистанционные измерения и мониторинг обледенения.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные новые данные о развитии пульсационных характеристик следа за ветроколесом важны для описания его динамики и разрушения, а так же при оценке его воздействия на следующую турбину в ветроэлектростанции.

При экспериментальном изучении вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора была усовершенствована методика комплексной оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений, что позволит в дальнейшем использовать данный подход для изучения широкого класса закрученных течений и получать в физическом эксперименте не только качественные, но и высокоточные количественные данные о пространственной структуре винтообразных вихревых течений.

Развитый оптико-лазерный метод для диагностики геометрических параметров может быть успешно использован для диагностики обледенения на лопастях ветрогенератора. Метод является бесконтактным, обладает простой калибровкой и прост в применении.

Методы и подходы исследования. В ходе выполнения работ применены подходы экспериментальной бесконтактной оптической диагностики нестационарных закрученных потоков жидкости в различных приложениях, основанных на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), анемометрии изображений частиц - цифровой трассерной визуализации (Р1У) и скоростной визуализации. Определение производительности модели ветрогенератора, определение момента и напора выполнялось на основе тензометрии.

Научная новизна:

Впервые экспериментально оптико-лазерными методами в водяном канале изучена полная структура вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора на расстоянии порядка 5 диаметров за ротором при различных значениях быстроходности и при низких значениях пульсаций набегающего потока.

На основе восстановленного поля завихренности по измеренным методом PIV полям скорости в различных проточных сечениях потока за ротором определенно положение концевых вихрей и восстановлена топология трехмерной вихревой структуры следа.

Для областей развития течения в следе впервые проведена классификация не только традиционным способом - по коэффициенту торможения, но и по характерным частотам в спектре пульсационных характеристик следа, измеренных ЛДА.

В дальнем следе было обнаружено преобладание низкой частоты в следе. Соответствующее этой частоте число Струхаля было равно 0,23 и не зависело от режимных параметров работы ротора. Экспериментальная диагностика дальнего следа показала, что указанному числу Струхаля соответствует прецессирующий крупномасштабный винтообразный вихрь в дальнем следе. При помощи метода PIV восстановлена его структура.

Предложены два оптико-лазерных метода диагностики наледи. Одним из развитых методов является модифицированный абсорбционный оптический метод для диагностики наледи. Метод является бесконтактным и быстродействующим, обладает малой погрешностью, прост в реализации. Выполнена экспериментальная оценка погрешности метода. Показано, что абсорбционный оптический метод позволяет выполнять полевые измерения, в качестве эксперимента было проведено измерение толщин волновой пленки на поверхности вращающегося диска. Показано, что погрешность модифицированного абсорбционного оптического метода измерения не превышает 10 %.

Впервые разработан оригинальный оптико-лазерный метод диагностики геометрических параметров наледи, основанный на эффекте полного внутреннего отражения света. При регистрации ряда последовательных изображений достигается возможность динамически регистрировать поле толщины наледи. Предлагаемый метод является бесконтактным и позволяет проводить мониторинг и натурные измерения.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию и выносимые автором на защиту, получены соискателем самостоятельно. Постановка задач исследования и научная проблематика разрабатывалась диссертантом как единолично, так и при участии член-корр. РАН, д.ф.-м.н. C.B. Алексеенко, д.т.н. В.Г. Меледина, д.ф.-м.н. В.Л. Окулова и д.т.н. Наумова И.В., что обеспечило комплексный подход к изучению темы. В опубликованных совместных работах лично автором:

1) проведены эксперименты, описанные в диссертации, получены и обработаны экспериментальные данные, проведен их анализ;

2) отработана методика оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений на основе комплексного использования ЛДА и PIV измерительных технологий;

3) разработан оптико-лазерный метод диагностики геометрических размеров наледи на основе полного внутреннего отражения.

Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Основные положения, выносимые на защиту

Анализ топологии и динамики концевых вихрей за лопастями ротора, основанный на построении поля завихренности по измеренным значениям поля скорости.

Сопоставление выделения разных зон вихревого следа и их классификация по изменению в пульсациях осевой скорости или трансформации коэффициента торможения ветра вниз по потоку за ветрогенератором.

Анализ числа Струхаля и диагностика крупномасштабных осцилляций скорости в дальнем следе за ротором.

Экспериментальное подтверждение основных гипотез и теорий ротора.

Оптико-лазерный метод диагностики геометрических параметров наледи, основанный на эффекте полного внутреннего отражения света.

Достоверность результатов обеспечена использованием в работе универсальных и отработанных методов и устройств экспериментальной бесконтактной диагностики, таких, как ЛДА, PIV, скоростная визуализация и оригинальные разработанные методы. Достоверность обеспечена детальным анализом характеристик установок и устройств, задающих параметры течения, данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами. Результаты тестовых экспериментов согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений, а также с опубликованными результатами аналитических исследований и численным расчетом исследуемых конфигураций и режимов вихревых течений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: XLIV, XLV, XLVI Международной научной студенческой конференции Студент и научно-технический прогресс (Новосибирск, Россия, 2006, 2007, 2008); 9 международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2007), 9, 10, 11 и 12 Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, Россия, 2006, 2008, 2010 и 2012), 3, 5, 7, 10 и 11 Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, Россия, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012), III и IV международных конференциях «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, Россия, 2008, 2010), конференции "The Science of Making Torque from Wind" 2012 (Oldenburg, Germany, 2012), X, XI между-

народных конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, Украина, 2012, 2013), 9th European Fluid Mechanics Conference (Rome, Italy, 2012), 5th and 6th International topical team workshop on "Two-phase systems for ground and space application" (Kyoto, Japan 2010, Trieste, Italy, 2012), конференции «Новые нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Новосибирск, Россия, 2013), а также на научных семинарах ИТ СО РАН.

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы более чем в 40 научных работах, в том числе в 8 работах из перечня ВАК, среди которых 6 статей в ведущих научных журналах. Получены 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 153 е., включая 78 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 111 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, выполнен анализ развиваемого научного направления, сформулированы наиболее важные научные результаты.

В первой главе был выполнен обзор литературы с оценкой существующих методов диагностики вихревого следа за моделью ветрогенератора и методов диагностики обледенения. Проведен краткий сравнительный анализ ограничений традиционных экспериментальных методов диагностики и определены условия их применимости.

Выполнен обзор методов бесконтактной оптической диагностики вихревых течений для исследований вихревых потоков жидкости. Современные подходы для бесконтактной оптической диагностики широкого класса явлений, таких как нестационарные потоки жидкости и газа в различных приложениях, основаны на следующих основных технологиях -ЛДА, цифровая трассерная визуализация (Particle Image Velocimetry - PIV), теневых и интерференционных методах, а также классе методов (ЛИФ, КАРС и т.д.), использующих спектральный анализ светорассеяния.

Анализируя публикации по тематике, можно прийти к следующим выводам.

- Хотя ветровая турбина - одно из самых старых устройств утилизации энергии ветра, аэродинамика ее ротора и развитие вихревых следов за ним остаются не полностью раскрытыми.

- Наиболее сложную структуру, оказывающую существенное влияние на характеристики работы турбины, имеет нестационарный след за ее ротором. Явления в следе осложняются наличием системы концевых вихрей, взаимодействующих между собой и центральным вихрем, изменяющими свои и его интенсивности. Несмотря на многолетние исследования следа и достаточно

ясную качественную картину его развития, проблема его высокоточного диагностирования еще полностью не решена.

- Знание качественной картины потока явно недостаточно как для изучения возможности снижения негативных последствий от вихревой системы, формирующей след в потоке воздуха за ветровой турбиной, так и для уточнения и развития методов расчета течения в межлопастном пространстве и следе за ротором ветрогенератора. Кроме того, точная диагностика образующейся вихревой системы позволит более точно оценивать потери на неоптимальных режимах работы турбины, связанные с индуцируемыми вихрями следа скоростями в плоскости ротора. По этим причинам необходимо использовать современные высокоточные методы диагностики для изучения потока за ротором турбины.

Дополнительно был проведен обзор методов для диагностики обледенения на лопастях ветрогенераторов и выполнен краткий сравнительный анализ экспериментальных методов, определены условия их применимости и установлены ограничения их использования.

Анализ литературных источников показал, что методы диагностики обледенения могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на определении изменения некоторых физических свойств в результате образования льда. К таким свойствам относятся масса, отражающие свойства поверхности, электрическая или тепловая проводимость, изменение коэффициента диэлектрической проницаемости и т.д. Косвенные методы, в основном, основаны на отслеживании погодных условий, которые приводят к обледенению. Из обзора доступных сегодня диагностик обледенения видно, что пока не существует методов, которые полностью отвечают потребностям диагностики обледенения на лопастях ветрогенераторов.

Обзор литературы показывает, что для повышения эффективности ветрогенераторов необходимо комплексное исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора с помощью современных бесконтактных оптико-лазерных методов диагностики и развитие новых оптико-лазерных методик диагностики обледенения лопастей.

Глава 2 посвящена комплексному экспериментальному исследованию вихревого следа за моделью ветрогенератора. Цель исследования заключалась в диагностике методом цифровой трассерной визуализации вихревых структур, возникающих в следе при обтекании ротора ветрогенератора и оказывающих влияние на эффективность его работы. Особое внимание уделено определению геометрических и топологических свойств вихревых структур для различных режимов течения.

Модель ротора помещалась в водяной канал. Диаметр ротора составлял 211 = 0.376 м, длина лопасти ротора - 0.159 м. Хорда лопасти и угол ее установки были рассчитаны по теории Глауэта для оптимального ветряка с быстроходностью X = 5, где X = £Ж/У, О - угловая скорость вращения ротора. Числа Рейнольдса Ые в проведенных экспериментах находятся вблизи 20 ООО для быстроходности X = 5 при рабочей температуре 20° С. Значение скорости

набегающего потока в месте расположения ротора(У = 0.36 - 0.65 м/с) и ее колебания в ходе эксперимента не превышали 3 %.

TSR TSR

Рис. 2.1. Зависимости коэффициентов использования энергии ветра и напора от быстроходности.

Измерена производительность и силовые характеристик модели ротора тензометрическими датчикам, установленных в креплении ротора. Были произведены измерения крутящего момента и напора на ротор для быстроходности X =3-8 (рис. 2.1). Максимальная производительность достигается при расчетной быстроходности, равной 5.

Рис. 2.2. Визуализация течения для значений быстроходности 5 и 7

Визуализация течения (рис. 2.2.) отчетливо показывает сложную вихревую систему в следе за ротором (осевой вихрь и концевые вихри) для различных быстроходностей.

Диагностика течения проводилась методом цифровой трассерной визуализации Р1У (рис. 2.3.) в продольном сечении в нижней полуплоскости. На рис. 2.4 приведены распределения осевой (и), радиальной (у) и окружной (\у) компонент вектора скорости в вихревом следе позади модели ротора ветрогенератора для быстроходности Х = 5.

Камера 1

Камера 1

45 V /

I2

1.5 м

Леркапд

Ротор/

X

\

45"Х\

\

Ротор

п/

л —

Лазер

Камера 2

/ 3£р«апо\

~П I Т7 II I г <4 <—«-11 I—»-I I I ' I

I

5 6 8 10 хв

—I I'

45

" у

Камера 2

Рис. 2.3. Схема лазерного ножа и камер в измерительной системе Р1У.

Для распределений компонент скорости и и у в плоскости лазерного ножа сечения ядер концевых вихрей хорошо фиксируются цепочкой неоднородностей дипольного вида следующих от конца лопасти в осевом направлении вниз по течению. Кроме концевых вихрей для распределений компонент к и н> хорошо фиксируется наличие вихревой пелены, сходящей с кромки лопатки. Это отражается периодичным изменением значения скоростей примерно с одинаковым шагом в осевом направлении вниз по течению за лопаткой.

-1 01234567

х/И

Рис. 2.4. Поле скорости за ротором в продольном сечении канала

По полученной карте осевой компоненты скорости был рассчитан коэффициент торможения (рис. 2.5). Коэффициент торможения имеет смысл отношения разности расхода набегающего потока и расхода за ротором к расходу набегающего потока. По зависимости коэффициента торможения определено, что ближний след реализуется на расстояниях порядка х = 0 - 4 К, а дальний след - на расстояниях х = 4 - 9 Я.

0 6671 I. л ; -------------- ..у*::! «п:«;..— --------------------------------

• \ > .•*;-'*'

.... ................. ......:::::

■л 1 ............. :

о.ззз

• • * • ♦ »

о

-2 -10123456789

х/Я

Рисунок 2.5. Изменение коэффициента торможения вдоль следа для \=3-9.

Для изучения концевых вихрей было построено поле завихренности. По карте завихренности были измерены координаты концевых вихрей. По результатам измерения координат центров концевых вихрей определено, что координаты концевых вихрей увеличиваются примерно с равным шагом, причем шаг уменьшается с увеличением быстроходности.

По измеренным полям завихренности были построены изоповерхности завихренности, которые отображают эволюцию завихренности во времени (рис. 2.6.а). Вихри стабильно существуют до расстояния 4 Я в следе, а затем сливаются в один вихрь. По полученным полям завихренности была восстановлена трехмерная вихревая структура в следе за ротором (рис. 2.6.6).

Полученные результаты подтверждают некоторые основные положения существующих теорий ротора. Прежде всего, это относится к простейшей теории Фруда, которая для расчетной быстроходности 1 = 5 оптимального колеса тестируемой ветровой турбины предполагает двойное замедление осевой скорости в дальнем следе по сравнению с его замедлением на турбине. Следующим элементом классических теорий является предсказание расширения следа за ветровыми турбинами при оптимальном режиме примерно в 1,22 раза. Этот факт был подтвержден в результате измерения координат концевых вихрей по полю завихренности.

По измеренным полям завихренности был подтвержден факт постоянства шага между концевыми вихрями. Результаты измерений полей скорости для оптимального режима подтвердило полное отсутствие тангенциального вращения у концевых вихрей. Последним выводом из кинематических измерений потока является наблюдение неустойчивости концевых вихрей в дальнем следе на участке без его расширения и с постоянным значением коэффициента торможения (около 2/3).

Рис. 2.6. Эволюция поля завихренности (а) и восстановленная трехмерная вихревая структура следа (б) для значения быстроходности 1=5.

Проведенное исследование вихревого следа позволило изучить вихревые структуры, возникающих в следе при обтекании ротора ветрогенератора, и определить их геометрические и топологические свойства для разных режимов течения. Отдельно нужно выделить один из основных результатов второй главы, заключающийся в определении максимальной производительности ветрогенератора при быстроходности равной 5 путем прямого измерения крутящего момента, передаваемого от потока на ротор, что совпало с расчетными параметрами конструирования.

В главе 3 приводятся исследования пульсационных характеристик в следе за ротором методом ЛДА. Цель данного исследования заключалась в определении пульсаций, наблюдаемых в дальнем следе в следе за моделью ротора при пренебрежимо малых возмущениях в следе ротора внешними факторами. Другой целью была попытка классифицировать области в следе на основе спектров пульсации осевой компоненты скорости. В главе уделено внимание поиску новых вихревых структур в следе, которые не были видны с помощью визуализации флуоресцентными чернилами и методом цифровой трассерной визуализации, описанными в предыдущей главе.

т 15

012345678 9уш

Рис 3.1. Точки измерения спектров пульсации скорости. На основе полученных методом ЛДА спектров след за ротором был разделен на области, в которых доминируют следующие частоты: лопаточная частота (А); роторная частота (В); роторная и лопаточная частоты (С); некая частота, отличная от роторной и лопаточной частот (О).

Пульсационные характеристики вихревого следа измерялись по спектру осевой компоненты скорости, измеренному методом ЛДА в ряде точек в следе за ротором (рис. 3.1). Анализ спектров, полученных ЛДА, подтвердил наличие существования различных зон с различными главными частотами колебания (рис. 3.2 и 3.3).

Путем анализа различных спектров было выделено четыре области течения (рис. 3.1): зона А, где доминирует лопаточная частота (рис. 3.2.а); область В, где доминирует роторная частота (рис. 3.2.6); зона С, где присутствуют одновременно и роторная и лопаточная частоты (рис. 3.2.в) и областью О, в которой присутствует частота, отличная от роторной и лопаточной частот (рис. 3.2.г). В противоположность обычному разделению потока на ближний и дальний след по коэффициенту торможения, ближний след был определен как область, состоящую из областей А, В и С.

Эр х10

7

Эр »10

9

Ж Д.. ^

б

Мм*

Рис. 3.2. Пример спектров полученных методом ЛДА в различных зонах в ближнем следе : а) область А; б ) область В, в) область С, г) область Б.

Для анализа подобия между различными режимами, была исследована зависимость числа Струхаля в дальнем следе. Число Струхаля является безразмерным параметром, описывающим кинематику следа при обтекании тел. Число Струхаля рассчитывается по формуле = где f - частота основного

колебания в следе; Б - характерный размер и - скорость свободного потока. Постоянное значение числа Струхаля порядка 0.2 наблюдается при двумерном

обтекании цилиндра в диапазоне чисел Рейнольдса (800 < Re < 200000). Такое же свойство постоянства числа Струхаля St наблюдается при обтекании сферы, где в следе появляется трехмерная спиральная структура (Achenbach, 1974).

0.2 1

i i i i i—*

2 3 4 5 6 7 8 9 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X V [m/s]

Рис. 3.3. Постоянство числа Струхаля в дальнем следе (область D).

Обнаружено, что доминирующая частота линейно меняется с изменением скорости набегающего потока в области D. Также было обнаружено, что соответствующее ей число Струхаля в дальнем следе за ротором постоянно для всех чисел X и Vo (рис. 3.3). Число Струхаля в дальнем следе равно 0.23, что совпадает типичным значением числа Струхаля порядка 0.2 для вихревого обтекания твердых тел.

z/R

Рис. 3.4. Визуализация прецессии спиральной вихревой структуры в следе за ротором методом цифровой трассерной визуализации (область D).

На рис. 3.4 показано поле осевой компоненты скорости в продольном сечении и в сечении, перпендикулярному осевой скорости на расстоянии х/Я=9 в различные моменты времени. Путем восстановления поля скорости методом Р1У, стало отчетливо видно, что дальний след вращается в виде крупномасштабного спирального вихря, который осциллирует с постоянным значением числа Струхаля.

Таким образом, в главе 3 изучены изменения пульсационных характеристик следа за ротором и определены закономерности их развития. Классифицированы области развития вихревого следа на основе анализа его пульсационных характеристик.

Четвертая глава посвящена повышению эффективности и безопасности ветрогенераторов за счет поисков новых путей диагностики обледенения лопастей, которое является причиной множества проблем для ветрогенераторов (невозможность запустить турбину, нарушение аэродинамики, излишняя вибрационная нагрузка, отрыв кусков льда и т.д.). Целью исследования было развитие новых оптико-лазерных методик, позволяющих проводить бесконтактные дистанционные измерения и мониторинг толщины наледи.

Первый оптико-лазерный метод диагностики наледи основан на эффекте полного внутреннего отражения света. На твердой светорассеивающей поверхности под толщей наледи формируется источник света (рис. 4.1). На границе раздела воздух-лед, приходящие под углом меньшим предельного угла отражения, лучи света преломляются и выходят из жидкости. Лучи, приходящие под углом большим предельного угла отражения, отражаются к светорассеивающей поверхности. В результате преломления и отражения на границе раздела возникает изображение, напоминающее кольцо (рис. 4.2). По его геометрическим параметрам толщина наледи восстанавливается по следующей формуле: И = (Б -d)/[4tg(arcsin(n2/n1))].

П2 / /

Ь -пу \ ~ А

! Т 1" " 1

О

Рис. 4.1. Ход лучей. П|- Рис. 4.2. изображение,

лед, пг - воздух, с1 - размер полученное при

источника, Э - размер плоской поверхности

изображения, Ь - толщина наледи, наледи.

® © ©

> • ©

<•>

Рис. 4.3. Измерение поля толщин наледи.

При наличии волнообразной поверхности наледи изображение принимает форму нескольких дуг, расположенных вблизи источника света (рис. 4.3). Метод позволяет проводить полевые измерения. Для этого на светорассеивающей поверхности формируется множество источников света. Каждый источник света формирует свое изображение кольца, несущего информацию о параметрах наледи в его окрестности. По изображениям вычисляются толщины наледи в окрестности источников света, и, производится интерполяция (рис. 4.3).

Второй предложенный оптический метод диагностики наледи основан на эффекте ослабления интенсивности света, проходящего через поглощающую среду. Метод позволяет измерять поле толщин поглощающего вещества. После прохождения света через вещество интенсивность в каждой точке будет зависеть от толщины поглощающего слоя. Метод является бесконтактным и быстродействующим, обладает малой погрешностью, прост в реализации. Выполнена экспериментальная оценка погрешности метода. Показано, что погрешность модифицированного абсорбционного оптического метода измерения не превышает 10 %, при этом абсорбционный оптический метод позволяет выполнять полевые измерения.

Полученные в главе результаты повышают эффективность и безопасность ветрогенераторов за счет развития новых методов диагностики наледи на лопастях ветрогенераторов, основанных на эффектах полного внутреннего отражения и поглощения света, и позволяющих производить натурные измерения толщины прозрачной наледи. Методы позволяют производить дистанционные измерения и относительно просты в реализации.

В целом, в диссертационной работе успешно выполнены исследования вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора с помощью современных бесконтактных оптико-лазерных методов диагностики и развиты оптико-лазерные методики диагностики наледи на его лопастях.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведено исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора для значений быстроходности от 3 до 8.

- Определена его максимальная производительность при быстроходности равной 5 путем прямого измерения крутящего момента, передаваемого от потока на ротор, что предсказывалось расчетными параметрами конструирования.

- Впервые проведено сопоставление двух различных классификаций дальнего и ближнего следа: по изменению поведения параметра торможения и с помощью предложенного в работе анализа пульсаций осевой скорости. Установлено, что традиционные средне расходные и новые пульсационные характеристики одинаково идентифицируют зоны ближнего и дальнего следа.

- Восстановлена трехмерная вихревая структура в ближнем следе за ротором с помощью построения карты азимутальной завихренности для индентифицирования концевых вихрей. ЛДА измерениями установлено, что

динамика ближнего следа определяется возмущениями, связанными с доминированием лопастной и окружной частотами вращения ротора.

- Впервые в дальнем следе было найдено крупномасштабное колебание и восстановлена его винтообразная структура методом Р1У. Обнаружено, что данная структура прецессируют на очень низкой частоте, независимой от параметров вращения ротора. Всем режимам соответствует одинаковое число Струхаля порядка 0.23.

- Предложены новые методы диагностики наледи на лопастях ветрогенераторов, основанные на эффекте полного внутреннего отражения и поглощения света, и позволяющие измерять толщину прозрачной наледи. Методы позволяют производить дистанционные измерения и относительно просты в реализации.

СПИСОК ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК:

1. V.L. Okulov, I.V. Naumov, R.F. Mikkelsen, I.K. Kabardin, J.N. Sorensen A regular Strouhal number for large-scale instability in the far wake of a rotor// Journal of Fluid Mechanics. - 2014. - V.747. - P. 369-380.

2. Кабардин И.К., Наумов И.В., Микельсен P., Павлов B.A., Бакакин Г.В., Окулов

B.Л. Экспериментальное исследование мгновенных полей и средних характеристик течения за моделью ротора ветряной турбины// Вестник НГУ: Серия Физика, - 2013, Выпуск 3, Том 8. С 89-97.

3. Кабардин И.К., Рахманов В.В., Меледин В.Г., Елисеев И.А., Двойнишников

C.B. Модифицированный абсорбционный оптический метод диагностики волновой пленки жидкости на вращающейся поверхности// Теплофизика и аэромеханика. - 2012. - Т.19. - № 1. - С. 89-95.

4. Kabardin I. К., Meledin V. G., Eliseev I. A. and Rakhmanov V. V. Optical measurement of instantaneous liquid film thickness based on total internal reflection// Journal of Engineering Thermophysics, 2011. - Vol. 20. - № 4. -P. 407-415.

5. Кротов C.B., Меледин В.Г., Бакакин Г.В., Кабардин И.К., Наумов И.В., Рахманов В.В. Система обработки лазерного реверсивного доплеровского измерителя скорости // Современные проблемы науки и образования. - 2013. -№ 2; URL: www.science-education.ru/108-8796 (дата обращения: 09.04.2013).

6. Бакакин Г.В., Аникин Ю.А., Главный В.Г., Двойнишников C.B., Кабардин И.К., Кротов C.B., Павлов В.А., Садбаков О.Ю., Чубов A.C. Спектральный оптико-электронный квадратурный преобразователь сигналов лазерного доплеровского анемометра // Современные проблемы науки и образования. -2013. - № 2; URL: www.science-education.ru/108-8794 (дата обращения: 09.04.2013).

Патенты РФ:

1. Кабардин И.К., Меледин В.Г., Наумов И.В. Елисеев И.А., Рахманов В.В., Двойнишников C.B. Оптический способ измерения мгновенного поля толщины прозрачной плёнки / Патент РФ на изобретение RU 2565037 от 10.02.2014 г.

2. Куликов Д.В., Двойнишников C.B., Аникин Ю.А., Меледин В.Г., Наумов И.В., Кротов C.B., Главный В.Г., Рахманов В.В., Бакакин Г.В., Павлов В.А., Шпольвинд К.В., Кабардин И.К., Чубов A.C. Лазерное устройство для измерения воздушного зазора электрической машины / Патент РФ на изобретение RU 2469264 от 22.06.2012.

Публикации в трудах конференций:

1. V.L. Okulov, I.V. Naumov, R.F. Mikkelsen, I.K. Kabardin, J.N. Sorensen Invariance of Strouhal number of large-scale instability in rotor far wakes//Proc. International Conference on Aerodynamics of Offshore Wind Energy Systems and Wakes 2013, June 17-19, Lyngby. - P. 76-77.

2. R. Mikkelsen, V.L Okulov, K.E. Meyer I. Naumov, I. Kabardin, J.N. Sorensen Measurement of the rotor wake using PIV on a scaled turbine rotor in a water flume// Proc. Danish Wind Power Research 2013, May 27-28, Lyngby, Denmark.

3. K.E. Meyer, I. V. Naumov, I.K. Kabardin, R. Mikkelsen, J. N. S0rensen PIV in a model wind turbine rotor wake// The 10th International Symposium on Particle Image Velocimetry 2013, July 01-03, Delft, Netherlands.

4. Кабардин И.К., Наумов И.В., Окулов B.JI. Миккелсен Р.Ф., Велте К. М. Исследование производительности и силовых характеристик модели ротора ветрогенератора // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии. - 2013. - Выпуск № 1 (12). Днепропетровск: «НПВК Триакон», С. 283-288.

5. Наумов И.В., Кабардин И.К., Окулов B.JL, Миккелсен Р.Ф. Комплексная оптико-лазерная диагностика вихревой структуры течения за моделью ротора ветрогенератора // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии. - 2013. - Выпуск № 1(12). Днепропетровск: «НПВК Триакон», С. 289-295.

6. Кабардин И.К., Наумов И.В., Миккелсен Р.Ф., Велте К. М. // Исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора. Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии 2012, №2 (10), Киев: «НПВК Триакон», С. 344-349.

7. Елисеев И.А., Кабардин И.К. Оптический метод измерения мгновенной толщины слоя прозрачной жидкости// Студент и научно-технический прогресс: Тезисы XLIV Международной научной студенческой конференции. Новосибирск, 2006, С. 31-32.

8. Кабардин И.К., Елисеев И.А. Оптический метод измерения мгновенной толщины слоя прозрачной жидкости// Студент и научно-технический прогресс: Труды XLIV Международной научной студенческой конференции. Новосибирск, 2006, С. 38-74.

9. Кабардин И.К., Елисеев И.А. Оптический метод измерения толщины слоя прозрачной жидкости на эффекте полного внутреннего отражения// Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики: Тезисы IX-ой Всероссийской конференции молодых ученых. Новосибирск, 2006, С. 49-50.

Подписано к печати 3 декабря 2014 г. Заказ № 28 Формат 60/84/16. Объем 1 уч.-изд. лист. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ФГБУН Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1