Ветроэнергетика - Wind engineering

Ветроэнергетика это подмножество машиностроение, Строительная инженерия, метеорология, и Прикладная физика который анализирует эффекты ветер в естественном и застроенная среда и изучает возможные повреждения, неудобства или преимущества, которые могут возникнуть в результате ветра. В области инженерии к ним относятся сильные ветры, которые могут вызывать дискомфорт, а также сильные ветры, например, в торнадо, ураган или же сильный шторм, что может вызвать обширные разрушения. В полях ветряная энергия и загрязнение воздуха он также включает слабые и умеренные ветры, поскольку они имеют отношение к производству электроэнергии и рассеиванию загрязняющих веществ.

Ветроэнергетика опирается на метеорология, динамика жидкостей, механика, географические информационные системы, а также ряд специальных инженерных дисциплин, в том числе аэродинамика и структурная динамика.[1] Используемые инструменты включают атмосферные модели, пограничный слой атмосферы аэродинамические трубы, и вычислительная гидродинамика модели.

В ветроэнергетику, помимо прочего, входят:

  • Воздействие ветра на конструкции (здания, мосты, башни)
  • Комфортность ветра возле зданий
  • Воздействие ветра на систему вентиляции в здании
  • Ветровой климат для энергии ветра
  • Загрязнение воздуха возле зданий

Инженеры-строители могут рассматривать ветроэнергетику как тесно связанную с сейсмическая инженерия и взрывозащита.

Некоторые спортивные стадионы, такие как Подсвечник и Артур Эш Стадион известны своими сильными, иногда резкими ветрами, которые влияют на условия игры.

История

Ветроэнергетика как отдельная дисциплина прослеживается в Великобритании в 1960-х годах, когда неофициальные встречи проводились в Национальная физическая лаборатория, Строительный научно-исследовательский центр и другие места. Термин «ветроэнергетика» впервые появился в 1970 году.[2] Алан Гарнетт Давенпорт был одним из самых выдающихся участников развития ветроэнергетики.[3] Он хорошо известен разработкой ветровой цепи Алана Давенпорта или коротко «ветровой цепи», которая описывает, как различные компоненты влияют на конечную нагрузку, рассчитанную на конструкцию.[4]

Ветровые нагрузки на здания

При проектировании зданий необходимо учитывать ветровые нагрузки, на которые влияют: сдвиг ветра Для инженерных целей профиль скорости ветра по степенному закону может быть определен как:[5][6]

куда:

= скорость ветра на высоте
= градиентный ветер на высоте градиента
= экспоненциальный коэффициент


Обычно здания спроектированы таким образом, чтобы противостоять сильному ветру с очень долгим периодом возврата, например 50 лет и более. Расчетная скорость ветра определяется из исторических данных с использованием теория экстремальных ценностей для прогнозирования экстремальных скоростей ветра в будущем. Скорость ветра обычно рассчитывается на основе некоторых региональных стандартов или стандартов проектирования. Нормы проектирования ветровых нагрузок на здания включают:

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

Комфорт от ветра

Появление высотки башенные блоки вызвали опасения по поводу дурного ветра, причиняемого этими зданиями пешеходам в их окрестностях.

С 1971 года был разработан ряд критериев ветровой комфортности и ветровой опасности, основанных на различных действиях пешеходов, таких как:[7]

  • Сидеть в течение длительного периода времени
  • Сидение в течение короткого периода времени
  • Прогуливаясь
  • Быстрая ходьба

По другим критериям ветровая среда классифицируется как совершенно неприемлемая или опасная.

Геометрия зданий, состоящих из одного и двух прямоугольных зданий, имеет ряд хорошо известных эффектов:[8][9]

  • Угловые потоки, также известные как угловые струи, по углам зданий.
  • Сквозной поток, также известный как проходная струя, в любом проходе через здание или небольшом зазоре между двумя зданиями из-за короткого замыкания под давлением
  • Вихрь, падающий вслед за зданиями

Для более сложной геометрии требуются исследования ветрового комфорта пешеходов. Они могут использовать соответствующим образом масштабированную модель в пограничном слое. аэродинамическая труба, или совсем недавно, использование вычислительная гидродинамика техники увеличилось.[10] Скорости ветра на уровне пешеходов для заданной вероятности превышения рассчитываются, чтобы учесть региональную статистику скорости ветра.[11]

Профиль вертикального ветра, используемый в этих исследованиях, варьируется в зависимости от местности в непосредственной близости от зданий (которая может отличаться в зависимости от направления ветра) и часто сгруппирован по категориям, например:[12]

  • Открытая открытая местность с небольшим количеством препятствий или без них и водными поверхностями при пригодных для эксплуатации скоростях ветра
  • Водные поверхности, открытая местность, луга с небольшим количеством хорошо разбросанных препятствий высотой от 1,5 до 10 м.
  • Местность с множеством близко расположенных препятствий высотой от 3 до 5 м, например участки загородной застройки
  • Местность с многочисленными крупными, высокими (высотой от 10 до 30 м) и близко расположенными препятствиями, такими как крупные городские центры и хорошо развитые промышленные комплексы

Ветряные турбины

Ветряные турбины подвержены сдвигу ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разной скорости ветра у лопастей, ближайших к уровню земли, по сравнению с теми, которые находятся на вершине хода лопастей, и это, в свою очередь, влияет на работу турбины.[13] Градиент ветра может создавать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти находятся в вертикальном положении.[14] Уменьшенный градиент ветра над водой означает, что на мелководье можно использовать более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин.[15]

В ветроэнергетике изменение скорости ветра с высотой часто аппроксимируется степенным законом:[13]

куда:

= скорость ветра на высоте [РС]
= скорость ветра на некоторой контрольной высоте [РС]
= Показатель Хеллмана (он же степенной показатель или показатель сдвига) (~ = 1/7 в нейтральном потоке, но может быть> 1)

Значимость

Знания в области ветроэнергетики используются для анализа и проектирования всех высотный здания, кабель-подвесные мосты и вантовые мосты, опоры электропередачи и телекоммуникационные башни и все другие типы башен и дымоходов. Ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при анализе многих высотных зданий, поэтому ветроэнергетика важна для их анализа и проектирования. Опять же, ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при анализе и проектировании всех длинномерных кабельные мосты.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хьюитт, Сэм; Маргеттс, Ли; Ревелл, Алистер (2017-04-18). «Создание цифровой ветряной электростанции». Архивы вычислительных методов в технике. 25 (4): 879–899. Дои:10.1007 / s11831-017-9222-7. ISSN  1134-3060. ЧВК  6209038. PMID  30443152.
  2. ^ Кокран, Лейтон; Дериксон, Расс (апрель 2011 г.). "Взгляд физического моделирователя вычислительной ветроэнергетики". Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики. 99 (4): 139–153. Дои:10.1016 / j.jweia.2011.01.015.
  3. ^ Солари, Джованни (2019). Ветровая наука и инженерия: истоки, разработки, основы и достижения. Springer Tracts в гражданском строительстве. Чам: Издательство Springer International. Дои:10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN  978-3-030-18814-6.
  4. ^ Исюмов, Николай (май 2012 г.). «Знак Алана Г. Давенпорта по ветроэнергетике». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики. 104-106: 12–24. Дои:10.1016 / j.jweia.2012.02.007.
  5. ^ Кроули, Стэнли (1993). Стальные Здания. Нью-Йорк: Вили. п. 272. ISBN  978-0-471-84298-9.
  6. ^ Гупта, Аджая Кумар и Питер Джеймс Мосс (1993). Методические указания по проектированию малоэтажных зданий с боковыми нагрузками.. Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ISBN  978-0-8493-8969-6.
  7. ^ Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветровой комфортности. Таблица 3
  8. ^ Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветровой комфортности. Рисунок 6
  9. ^ Воздействие ветра на пешеходов. Рисунок 3
  10. ^ Руководство AIJ по практическому применению CFD в пешеходной ветровой среде вокруг зданий
  11. ^ Пешеходная ветровая среда вокруг зданий. p112
  12. ^ AS / NZS 1170.2: 2011 Действия по проектированию конструкций, часть 2 - Ветровые воздействия. Раздел 4.2
  13. ^ а б Хейер, Зигфрид (2005). Сеточная интеграция систем преобразования энергии ветра. Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 45. ISBN  978-0-470-86899-7.
  14. ^ Харрисон, Роберт (2001). Большие ветряные турбины. Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 30. ISBN  978-0-471-49456-0.
  15. ^ Любосны, Збигнев (2003). Эксплуатация ветряных турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование. Берлин: Springer. п. 17. ISBN  978-3-540-40340-1.

внешняя ссылка