Ветроэнергетика

Изучение воздействия ветра на природную и искусственную среду

Визуализация потока контуров скорости ветра вокруг дома

Ветротехника охватывает аэродинамические эффекты зданий.

Поврежденные ветряные турбины из-за урагана Мария

Ветроэнергетика — это подраздел машиностроения , строительной инженерии , метеорологии и прикладной физики , который анализирует воздействие ветра на естественную и искусственную среду и изучает возможный ущерб, неудобства или выгоды, которые может принести ветер. В области инженерии это включает в себя сильные ветры, которые могут вызывать дискомфорт, а также экстремальные ветры, такие как торнадо , ураган или сильный шторм , которые могут вызвать широкомасштабные разрушения. В областях ветроэнергетики и загрязнения воздуха это также включает в себя слабые и умеренные ветры, поскольку они имеют отношение к производству электроэнергии и рассеиванию загрязняющих веществ.

Ветротехника опирается на метеорологию , гидродинамику , механику , географические информационные системы и ряд специальных инженерных дисциплин, включая аэродинамику и динамику конструкций . ^[1] Используемые инструменты включают атмосферные модели , аэродинамические трубы пограничного слоя атмосферы и вычислительные модели гидродинамики .

Ветроэнергетика включает в себя, среди прочего:

• Воздействие ветра на конструкции (здания, мосты, башни)
• Ветровой комфорт вблизи зданий
• Влияние ветра на систему вентиляции в здании
• Ветровой климат для ветроэнергетики
• Загрязнение воздуха вблизи зданий

Инженеры-строители могут считать, что ветроэнергетика тесно связана с сейсмостойкостью и взрывозащитой .

Некоторые спортивные стадионы, такие как «Кэндлстик Парк» и «Стадион Артура Эша», известны своими сильными, иногда вихревыми ветрами, которые влияют на условия игры.

История

Ветротехника как отдельная дисциплина берет свое начало в Великобритании в 1960-х годах, когда неформальные встречи проводились в Национальной физической лаборатории , Исследовательском институте строительства и других местах. Термин «ветровая инженерия» был впервые введен в обиход в 1970 году. ^[2] Алан Гарнетт Дэвенпорт был одним из самых выдающихся деятелей в развитии ветротехники. ^[3] Он хорошо известен разработкой цепи ветровой нагрузки Алана Дэвенпорта или, короче, «цепи ветровой нагрузки», которая описывает, как различные компоненты вносят вклад в конечную нагрузку, рассчитанную для конструкции. ^[4]

Ветровые нагрузки на здания

Модель аэродинамической трубы One Post Office Square, Бостон

Проектирование зданий должно учитывать ветровые нагрузки, а на них влияет сдвиг ветра . Для инженерных целей профиль скорости ветра по степенному закону может быть определен как: ^{[5] [6]}

${\displaystyle \ v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{\frac {1}{\alpha }},0<z<z_{g}}$

где:

${\displaystyle \ v_{z}}$= скорость ветра на высоте ${\displaystyle \ z}$

${\displaystyle \ v_{g}}$= градиентный ветер на градиентной высоте ${\displaystyle \ z_{g}}$

${\displaystyle \ \alpha }$= экспоненциальный коэффициент

Обычно здания проектируются так, чтобы выдерживать сильный ветер с очень длительным периодом повторяемости, например, 50 лет и более. Расчетная скорость ветра определяется на основе исторических записей с использованием теории экстремальных значений для прогнозирования будущих экстремальных скоростей ветра. Скорость ветра обычно рассчитывается на основе некоторых региональных стандартов проектирования. Стандарты проектирования ветровых нагрузок зданий включают:

• AS 1170.2 для Австралии
• EN 1991-1-4 для Европы
• NBC для Канады

Ветер комфорт

Ветрозащитные экраны устанавливаются для снижения опасности ветра на небоскребе Bridgewater Place в Лидсе, Великобритания.

Компьютерное моделирование воздушного потока по ветру от ангара, который привел к повреждению самолета Ameristar Charters Flight 9363

Появление высотных многоквартирных домов вызвало опасения относительно неудобств, которые могут причинять ветры пешеходам, находящимся поблизости.

С 1971 года был разработан ряд критериев комфортности и опасности ветра, основанных на различных видах деятельности пешеходов, таких как: ^[7]

• Сидеть в течение длительного периода времени
• Сидеть в течение короткого периода времени
• Прогулка
• Быстрая ходьба

Другие критерии классифицировали ветровую среду как совершенно неприемлемую или опасную.

Геометрия зданий, состоящая из одного и двух прямоугольных зданий, имеет ряд хорошо известных эффектов: ^{[8] [9]}

• Угловые струи, также известные как угловые струи, огибают углы зданий.
• Сквозной поток, также известный как проходная струя, в любом проходе через здание или небольшой зазор между двумя зданиями из-за замыкания давления
• Образование вихрей в результате движения зданий

Для более сложных геометрий требуются исследования комфорта пешеходов в отношении ветра. Они могут использовать соответствующим образом масштабированную модель в аэродинамической трубе с пограничным слоем или, в последнее время, возросло использование методов вычислительной гидродинамики . ^[10] Скорости ветра на уровне пешеходов для заданной вероятности превышения рассчитываются с учетом региональной статистики скоростей ветра. ^[11]

Вертикальный профиль ветра, используемый в этих исследованиях, варьируется в зависимости от рельефа местности вблизи зданий (который может отличаться направлением ветра) и часто группируется по категориям, например: ^[12]

• Открытая местность с небольшим количеством препятствий или без них и водными поверхностями при скорости ветра, пригодной для эксплуатации
• Водные поверхности, открытая местность, луга с редкими, хорошо разбросанными препятствиями высотой обычно от 1,5 до 10 м.
• Местность с многочисленными близко расположенными препятствиями высотой от 3 до 5 м, например, районы пригородной застройки
• Местность с многочисленными крупными, высокими (от 10 до 30 м) и близко расположенными препятствиями, например, крупные городские центры и развитые промышленные комплексы.

Ветровые турбины

Ветровые турбины подвержены влиянию сдвига ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разным скоростям ветра на лопастях, ближайших к уровню земли, по сравнению со скоростями на вершине хода лопасти, и это, в свою очередь, влияет на работу турбины. ^[13] Градиент ветра может создавать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти расположены вертикально. ^[14] Уменьшенный градиент ветра над водой означает, что в мелководных морях можно использовать более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин. ^[15]

В ветроэнергетике изменение скорости ветра с высотой часто аппроксимируется с помощью степенного закона: ^[13]

${\displaystyle \ v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \left({\frac {h}{h_{ref}}}\right)^{a}}$

где:

${\displaystyle \ v_{w}(h)}$= скорость ветра на высоте [м/с] ${\displaystyle h}$

${\displaystyle \ v_{ref}}$= скорость ветра на некоторой исходной высоте [м/с] ${\displaystyle h_{ref}}$

${\displaystyle \ a}$= показатель Хеллмана (также известный как показатель степенного закона или показатель сдвига) (~= 1/7 в нейтральном потоке, но может быть >1)

Значение

Знания ветротехники используются для анализа и проектирования всех высотных зданий, вантовых мостов и вантовых мостов , вышек линий электропередач и телекоммуникационных вышек , а также всех других типов вышек и дымовых труб. Ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при анализе многих высотных зданий, поэтому ветротехника имеет важное значение для их анализа и проектирования. Опять же, ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при анализе и проектировании всех длиннопролетных вантовых мостов .

Смотрите также

• Ураганная инженерия
• Джон Твиделл
• Контроль вибрации
• Испытания в аэродинамической трубе
• Всемирная ассоциация ветроэнергетики
• Демпфирование
• Алан Г. Дэвенпорт

Ссылки

1. Хьюитт, Сэм; Маргетс, Ли; Ревелл, Алистер (18.04.2017). «Создание цифровой ветровой электростанции». Архив вычислительных методов в машиностроении . 25 (4): 879–899. doi :10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN  1134-3060. PMC  6209038. PMID  30443152 .
2. Cochran, Leighton; Derickson, Russ (апрель 2011 г.). «Взгляд физического моделлера на вычислительную ветроэнергетику». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 99 (4): 139–153. Bibcode : 2011JWEIA..99..139C. doi : 10.1016/j.jweia.2011.01.015.
3. Солари, Джованни (2019). Ветротехника и инженерия: истоки, разработки, основы и достижения . Springer Tracts in Civil Engineering. Cham: Springer International Publishing. doi : 10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN 978-3-030-18814-6.
4. Isyumov, Nicholas (май 2012). «След Алана Г. Дэвенпорта в ветроэнергетике». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 104–106: 12–24. Bibcode : 2012JWEIA.104...12I. doi : 10.1016/j.jweia.2012.02.007.
5. Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Wiley. стр. 272. ISBN 978-0-471-84298-9.
6. Гупта, Аджайя Кумар и Питер Джеймс Мосс (1993). Руководство по проектированию малоэтажных зданий, подверженных боковым нагрузкам. Бока-Ратон: CRC Press. стр. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.
7. Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветрового комфорта. Таблица 3
8. Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветрового комфорта. Рисунок 6
9. Воздействие ветра на пешеходов. Рисунок 3
10. Рекомендации AIJ по практическому применению вычислительной гидродинамики для изучения ветровой среды вокруг зданий
11. Пешеходная ветровая среда вокруг зданий. стр. 112
12. AS/NZS 1170.2:2011 Проектирование конструкций Часть 2 – Ветровые воздействия. Раздел 4.2
13. Heier, Siegfried (2005). Интеграция в сеть систем преобразования энергии ветра . Чичестер: John Wiley & Sons. стр. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.
14. Харрисон, Роберт (2001). Большие ветровые турбины . Чичестер: John Wiley & Sons. стр. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.
15. Любосны, Збигнев (2003). Работа ветряных турбин в электроэнергетических системах: передовое моделирование . Берлин: Springer. стр. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

Дальнейшее чтение

• Блокен, Берт (2014). «50 лет вычислительной ветроэнергетики: прошлое, настоящее и будущее». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 129 : 69–102. Bibcode : 2014JWEIA.129...69B. doi : 10.1016/j.jweia.2014.03.008.
• Бейкер, К. Дж. (2007). «Ветроэнергетика — прошлое, настоящее и будущее». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 95 (9–11): 843–870. Bibcode : 2007JWEIA..95..843B. doi : 10.1016/j.jweia.2007.01.011.

Внешние ссылки

• «Как высокие здания укрощают ветер». B1M . 12 сентября 2018 г. Архивировано из оригинала 2021-12-15 – через YouTube .

⚫