DR HAB. KRZYSZTOF ROGOWSKI
WYDZIAŁ MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA, POLITECHNIKA WARSZAWSKA
DR HAB. KRZYSZTOF ROGOWSKI
WYDZIAŁ MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA, POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Analiza numeryczna turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
CEL PROJEKTU
Wyzwanie
Siłownie wiatrowe z pionową osią obrotu stanowią alternatywę dla klasycznych wiatraków o osi poziomej. Sprawności aerodynamiczne obu typów wiatraków są zbliżone. Znane są próby instalacji siłowni wiatrowych z wirnikiem Darrieusa na morzu. Ruch obrotowy łopat wirnika z pionową osią obrotu w sposób istotny zaburza przepływ oraz obniża sprawność urządzenia. Dotychczasowe modele aerodynamiczne oparte na zasadzie zachowania pędu są niewystarczające do szczegółowej analizy obciążeń aerodynamicznych łopat wirnika oraz śladu aerodynamicznego za wirnikiem. Obecnie popularnym narzędziem do badań aerodynamicznych są metody numerycznej mechaniki płynów.
Cel projektu
Analiza obciążeń aerodynamicznych wirnika typu Darrieusa oraz opracowanie i walidacja autorskiego modelu numerycznego do analizy osiągów aerodynamicznych wirnika.
CEL PROJEKTU
Wyzwanie
Siłownie wiatrowe z pionową osią obrotu stanowią alternatywę dla klasycznych wiatraków o osi poziomej. Sprawności aerodynamiczne obu typów wiatraków są zbliżone. Znane są próby instalacji siłowni wiatrowych z wirnikiem Darrieusa na morzu. Ruch obrotowy łopat wirnika z pionową osią obrotu w sposób istotny zaburza przepływ oraz obniża sprawność urządzenia. Dotychczasowe modele aerodynamiczne oparte na zasadzie zachowania pędu są niewystarczające do szczegółowej analizy obciążeń aerodynamicznych łopat wirnika oraz śladu aerodynamicznego za wirnikiem. Obecnie popularnym narzędziem do badań aerodynamicznych są metody numerycznej mechaniki płynów.
Cel projektu
Analiza obciążeń aerodynamicznych wirnika typu Darrieusa oraz opracowanie i walidacja autorskiego modelu numerycznego do analizy osiągów aerodynamicznych wirnika.
ZADANIA DLA SUPERKOMPUTERA
01.
W większości przypadków rozpatrywane były dwuwymiarowe modele numeryczne wirników Darrieusa. Rozmiary siatek obliczeniowych nie przekraczały zwykle 300 tysięcy elementów, jednak badania najczęściej były prowadzone dla nieustalonego przepływu powietrza w obszarze wirnika. Analiza pracy wirnika w różnych warunkach pracy (przy różnych wyróżnikach szybkobieżności), niewielki krok czasowy oraz konieczność sprawdzenia wielu parametrów numerycznych wymuszają wykorzystanie znaczących zasobów obliczeniowych.
02.
Przy użyciu superkomputera symulowano przepływy w obszarze wirników siłowni wiatrowych typu Darrieusa. Dwuwymiarowe modele geometryczne pozwalały badać przepływ wokół łopat o nieskończonej długości. Takie uproszczenie z powodzeniem może być stosowane w przypadku wirników o małym wypełnieniu wyposażonych w długie i smukłe łopaty. Badania prowadzone przy wykorzystaniu superkomputera dotyczyły małych oraz średnich wirników.
- W przypadku małych wiatraków otrzymane rezultaty sił aerodynamicznych oraz pól prędkości porównywane były z wynikami badań eksperymentalnych dostępnych w opublikowanych pracach naukowych.
- W przypadku wirnika średniej mocy porównano charakterystyki profili aerodynamicznych, wykorzystując tę samą siatkę obliczeniową, która potem używana była w obliczeniach pracującego wiatraka.
KORZYŚCI ZE WSPÓŁPRACY Z ICM UW
Wykorzystanie superkomputera pozwoliło przede wszystkim efektywnie wykonywać obliczenia numeryczne dla stanu ustalonego. Kąt natarcia łopaty wirującego wirnika typu Darrieusa zmienia się wraz z kątem obrotu wirnika. Aby uzyskać wystarczająco dokładne rozwiązanie za pomocą podejścia URANS oraz klasycznych dwurównaniowych modeli turbulencji, należy przeprowadzić symulację przynajmniej 10–20 pełnych obrotów wirnika. Wykonanie takich obliczeń na komputerze klasy PC jest praktycznie niemożliwe w rozsądnym czasie. Głównym ograniczeniem jest długość kroku czasowego. Przyspieszenie procesu obliczeń uzyskuje się, wykonując obliczenia równoległe na wielu procesorach. W przypadku modeli 2D optymalną liczbą węzłów jest 2 po 24 procesory na węzeł. Zasoby ICM-u pozwalają wykonać jednocześnie kilka takich symulacji.
EFEKTY
Osiągnięcia:
- Wskazanie dwóch modeli turbulencji: k-ω SST oraz k-ε RNG, które pozwalają wyznaczyć obciążenia aerodynamiczne łopat oraz pole prędkości w otoczeniu wirnika.
- Opracowanie metody Actuator Cell Model (ACM) opartej na klasycznym sformułowaniu URANS oraz teorii elementu łopaty, która pozwala wyznaczać osiągi aerodynamicznych siłowni wiatrowych typu Darrieusa. Model ten jest w stanie analizować nieustalone parametry pola prędkości dzięki wykorzystaniu techniki zwanej sliding mesh dostępnej w programie ANSYS Fluent.
Efekty naukowe:
Performance Analysis of a H-Darrieus Wind Turbine for a Series of 4-Digit NACA Airfoils, Krzysztof Rogowski and Martin Otto Laver Hansen and Galih Bangga, Energies 2020.
CFD Computation of the H-Darrieus Wind Turbine — The Impact of the Rotating Shaft on the Rotor Performance, Krzysztof Rogowski, Energies 2019.
Velocity field around Darrieus wind turbine rotor using actuator cell model and other CFD methods, Krzysztof Rogowski and Klaudia Rogowska, Task Quarterly 2018.
URANS and ACM for determining the aerodynamic performance of vertical-axis wind turbine, Krzysztof Rogowski and Martin Hansen, E3S Web of Conferences 100, 00069, 2019.
The actuator cell model for the Darrieus wind turbine, Krzysztof Rogowski, Journal of Physics: Conference Series 1101 012028, 2018.
Actuator cell model of the 2D H-Darrieus wind turbine, Krzysztof Rogowski, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2020.
Wyróżnienie w Ogólnopolskim Konkursie im. prof. Jana Szmeltera na prace z mechaniki technicznej zorganizowanym przez Oddział Łódzki PTMTS za pracę pt. Comparison of turbulent and laminar codes for vertical-axis wind turbine.
EFEKTY
Osiągnięcia:
- Wskazanie dwóch modeli turbulencji: k-ω SST oraz k-ε RNG, które pozwalają wyznaczyć obciążenia aerodynamiczne łopat oraz pole prędkości w otoczeniu wirnika.
- Opracowanie metody Actuator Cell Model (ACM) opartej na klasycznym sformułowaniu URANS oraz teorii elementu łopaty, która pozwala wyznaczać osiągi aerodynamicznych siłowni wiatrowych typu Darrieusa. Model ten jest w stanie analizować nieustalone parametry pola prędkości dzięki wykorzystaniu techniki zwanej sliding mesh dostępnej w programie ANSYS Fluent.
Efekty naukowe:
Performance Analysis of a H-Darrieus Wind Turbine for a Series of 4-Digit NACA Airfoils, Krzysztof Rogowski and Martin Otto Laver Hansen and Galih Bangga, Energies 2020.
CFD Computation of the H-Darrieus Wind Turbine — The Impact of the Rotating Shaft on the Rotor Performance, Krzysztof Rogowski, Energies 2019.
Velocity field around Darrieus wind turbine rotor using actuator cell model and other CFD methods, Krzysztof Rogowski and Klaudia Rogowska, Task Quarterly 2018.
URANS and ACM for determining the aerodynamic performance of vertical-axis wind turbine, Krzysztof Rogowski and Martin Hansen, E3S Web of Conferences 100, 00069, 2019.
The actuator cell model for the Darrieus wind turbine, Krzysztof Rogowski, Journal of Physics: Conference Series 1101 012028, 2018.
Actuator cell model of the 2D H-Darrieus wind turbine, Krzysztof Rogowski, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2020.
Wyróżnienie w Ogólnopolskim Konkursie im. prof. Jana Szmeltera na prace z mechaniki technicznej zorganizowanym przez Oddział Łódzki PTMTS za pracę pt. Comparison of turbulent and laminar codes for vertical-axis wind turbine.
REKOMENDACJA
REKOMENDACJA
„Dzięki zrealizowanym we współpracy z ICM UW analizom w 2021 roku uzyskałem stopień doktora habilitowanego w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie inżynieria mechaniczna za cykl 12 powiązanych ze sobą tematycznie publikacji zatytułowanych „Modelowanie siłowni wiatrowych o pionowej osi obrotu wykorzystując metody numerycznej mechaniki płynów”.
Zgodnie z moją najlepszą wiedzą jestem pierwszym badaczem, któremu udało się uzyskać akceptowalne rezultaty sił aerodynamicznych łopat wirnika Darrieusa, stosując model laminarny”.
DR HAB. KRZYSZTOF ROGOWSKI
WYDZIAŁ MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA, POLITECHNIKA WARSZAWSKA
