Вычислительный эксперимент на моделях физических сред с использованием вихреразрешающего моделирования для ветропарка на суперкомпьютере

Номер РФФИ проекта: 17-07-01391

Руководитель проекта: Стрижак Сергей Владимирович

Название проекта: Вычислительный эксперимент на моделях физических сред с использованием вихреразрешающего моделирования для ветропарка на суперкомпьютере.

Название проекта (на английском языке): Numerical experiment on physical models with large eddy simulation for wind farm on supercomputer.

Код и название конкурса А: Конкурс проектов фундаментальных научных исследований 2017

Область знаний: 07 Инфокоммуникационные технологии и вычислительные системы

Научная дисциплина — основной код: 07-922 Вычислительный эксперимент на моделях физических сред

Научная дисциплина – дополнительные коды (по классификатору):

  • 07-923 Вычислительный эксперимент на моделях природных явлений
  • 07-924 Вычислительный эксперимент на моделях окружающей среды
  • 07-925 Вычислительный эксперимент на моделях технических объектов

Ключевые слова: вихреразрешающее моделирование, модели замыкания, расчетная сетка, атмосферный пограничный слой, стратификация, ветропарк, ветроэнергетические установки, вихревой след, временные срезы, корреляционная матрица, метод главных компонент.

Аннотация, публикуемая на сайте Фонда

В связи с развитием новых источников энергии, в частности ветроэнергетики в РФ, проектированием новых ветрогенераторов (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) и их эксплуатацией в различных климатических условиях на обширной территории РФ (Северо-Запад, Север, Юг, Дальний Восток) возникает потребность в решении научных фундаментальных и прикладных задач. Впервые в РФ запланировано строительство нескольких ветропарков мощностью до 150 МВт до 2020 г. В связи с этим возникает потребность в разработке специализированного программного комплекса, проведении вычислительного эксперимента, который включает в себя использование различных физических моделей для окружающей среды. Известно, что в состав ветропарка входят ВЭУ, которые расположены в ряд и эксплуатируются в атмосферном пограничном слое. Для ВЭУ необходимо проводить расчет течения при различных начальных условиях (скорость и направление ветра, широта расположения, учет влияния шероховатости поверхности, величина теплового потока, аэродинамические характеристики для профиля лопасти ВЭУ) и оценку взаимного влияния расположения ВЭУ. Как правило, течение в ветропарке характеризуется большими числами Рейнольдса, а расчетная область может иметь десятки километров. Современный подход для расчета параметров течения в ветропарке основан на вихреразрешающем моделировании. При моделирование важно оценивать не только физические параметры течения (скорость, давление, температура, вязкость, тензор напряжений, тепловой поток), но и динамику, энергию крупных вихревых структур и их влияние на производительность ветропарка. Количество публикаций в российских журналов по данной теме крайне мало. В основном публикации ограничены экспериментальными исследованиями (ИТФ СО РАН) и численными расчетами для одиночной ВЭУ.

В данном проекте предлагается использовать подход на базе вихреразрешающего моделирования (метод крупных вихрей) для расчета параметров течения с учетом рельефа местности, влияния стратификации среды, вращения Земли и различных моделей замыкания для подсеточной турбулентности для произвольного количества ВЭУ. Для оценки энергии турбулентных структур, образующихся в следе за ВЭУ, и вклада различных мод в общую кинетическую энергию планируется использовать метод главных компонент (POD). Будет выполнена оценка эффективности и мощности ветропарка в зависимости от расположения ВЭУ и их географического расположения.