Моделирование ветровой турбины типа Dарье и обоснование её параметров в системе Ansys Fluent

“Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 173 Computer science and information-communication systems В мире обеспечение энергетической безопасности, решение экологических проблем и сохранение природных ресурсов делают возобновляемые источники энергии, в частности ветроэнергетику, одним из приоритетных направлений. Во многих странах разработаны и реализуются стратегии по повышению эффективности ветроэнергетических установок и расширению их применения в условиях изменчивого климата. На сегодняшний день в разработке и внедрении ветроэнергетических технологий лидируют Китай, Индия и страны Европы. Так, Китай занимает первое место по производству наземных ветроэлектростанций с годовой установленной мощностью 82 ГВт. Второе место занимают европейские страны (21,6 ГВт в год), далее следуют США (13,6 ГВт), Индия (11,5 ГВт) и Латинская Америка (6,2 ГВт) [1]. За первое полугодие 2023 года по сравнению с аналогичным периодом 2022 года было установлено на 38 % больше новых ветроэнергетических установок: с июня 2022 по июнь 2023 года суммарно добавлено 100 ГВт, а общая установленная мощность достигла 976 ГВт, обеспечив годовой рост на уровне 11,4 % [2]. В рамках реформ по переходу Республики Узбекистан к «зелёной» экономике к 2030 году планируется увеличить установленную мощность возобновляемых источников энергии до 15 ГВт и довести их долю в общем объёме производства электроэнергии до более чем 30 % [3]. Ведутся научные исследования, направленные на разработку и повышение эффективности возобновляемых источников энергии, адаптированных к климатическим условиям Узбекистана [4–8]. Повышение эффективности ветроэнергетических установок в условиях переменной скорости ветра во многом зависит от совершенствования конструкции лопастей, в первую очередь — от изучения их аэродинамических характеристик. В связи с этим в данной статье проанализированы научные работы, посвящённые созданию и исследованию различных форм аэродинамических поверхностей, применяемых в ветроустановках. Группа исследователей под руководством Фархана Л. Рашида с использованием методов CFD провела аэродинамическое исследование воздушного потока вокруг модифицированных профилей NACA 2412. Основной задачей работы стало совершенствование инженерных процедур для анализа обтекания модифицированного профиля NACA 2412 с помощью CFD-модели. Моделирование выполнено в двумерной постановке путём решения управляющих уравнений (непрерывности, усреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса и энергии) в программе Fluent при числе Рейнольдса Re = 1·10⁶. Согласно полученным результатам, подъёмная и лобовая силы увеличиваются с ростом угла атаки до точки срыва потока. Оптимальный угол атаки составил 4° [9]. Шер Афган Хан провёл сравнительное исследование влияния различных турбулентных моделей на CFD-прогнозирование аэродинамических характеристик профиля NACA 0018. В работе представлено численное моделирование аэродинамических характеристик профиля NACA 0018 с использованием программного комплекса Ansys Fluent. Экспериментальные данные по данному профилю использовались для верификации численных результатов, а также для оценки расхождений по коэффициентам подъёма, сопротивления и давления. Измерения аэродинамических коэффициентов и распределения давления на поверхности проводились в диапазоне чисел Рейнольдса от 0,8·10⁵ до 0,3·10⁶ и углах атаки от 0° до 18°. Модель SST k-ω показала наилучшие прогнозы коэффициента подъёма при малых углах атаки [10]. Брайан Стинвейк и Пабло Друэтта выполнили моделирование обтекания двумерного профиля NACA 0012 при различных углах атаки с использованием RANS-модели турбулентности SST и сравнили результаты с экспериментальными данными. Модифицированный аэродинамический профиль продемонстрировал более высокие значения коэффициентов подъёма CL и CD по сравнению со стандартным NACA 0012. Предложенный профиль, обладающий повышенной эффективностью, может быть рекомендован для использования в ветроустановках с вертикальной осью [11]. Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 174 Informatika va axborot-kommunikatsion tizimlar Нассер Шелил разработал и проанализировал двумерную CFD-модель аэродинамического профиля DTU-LN221 в Ansys Fluent. Профиль моделировался с применением семи различных турбулентных моделей и сопоставлялся с экспериментальными данными, полученными в аэродинамической трубе при тех же условиях. Наилучшее соответствие между CFD-прогнозами и экспериментальными данными по аэродинамическим силам достигнуто в диапазоне углов атаки от –5° до +10°. Результаты показали, что для повышения эффективности работы ветровых турбин рекомендуется использовать аэродинамические профили лопастей при низких температурах и высоких скоростях ветра [12]. В настоящее время проектирование ветровых турбин с вертикальной осью, адаптированных к переменным ветровым потокам, а также исследование, моделирование и определение оптимальных параметров аэродинамических процессов на лопастях турбин приобретают особую актуальность. Целью исследования является моделирование гибридной ветротурбины типов Савониуса и Дарье в системе Ansys Fluent и оценка ее эффективности в условиях переменных ветровых потоков. Методология. При CFD-моделировании гибридной ветровой турбины Савониуса– Дарье в Ansys Fluent ключевое значение имеют следующие аэродинамические параметры и модели турбулентности: k-ε (k-epsilon) и SST k-ω [16–19]. Эти модели широко применяются в вычислительной гидрогазодинамике (CFD) для моделирования осреднённых характеристик течения в условиях развитой турбулентности. С их помощью в Ansys Fluent можно получить зависимости аэродинамических характеристик профилей от изменений ветрового потока. Модель турбулентности k-ε: 𝜕𝑥𝑖(𝜌𝑘𝑢𝑖) = 𝜕 𝜕𝑥𝑗[(𝜇+ 𝜇𝑡 𝜎𝑘) 𝜕𝑘 𝜕𝑡(𝜌𝑘) + 𝜕 𝜕 𝜕𝑥𝑗] + 𝐺𝑘+ 𝐺𝑏−𝜌𝜀−𝑌𝑀+ 𝑆𝑘 𝜕𝑥𝑖(𝜌𝜀𝑢𝑖) = 𝜕 𝜕𝑥𝑗[(𝜇+ 𝜇𝑡 𝜎𝜀) 𝜕𝜀 𝜕𝑡(𝜌𝜀) + 𝜕 𝜕 (1) 𝜕𝑥𝑗] + 𝜌𝐶1𝑆𝜀− { −𝜌𝐶2 𝜀2 𝑘+𝑉𝜀+ 𝐶1𝜀 𝜀 𝑘𝐶3𝜀𝐺𝑏+ 𝑆𝜀 Модель турбулентности SST k-ω: 𝜕𝑡(𝜌𝑘) + 𝜕 𝜕 𝜕𝑥𝑗[(𝜇+ 𝜎𝑘𝜇𝑡) 𝜕𝑘 𝜕𝑥𝑗(𝜌𝑘𝑢𝑗) = 𝑃−𝛽∗𝜌𝜔𝑘+ 𝜕 𝜕𝑥𝑗] 𝜈𝑡𝑃−𝛽𝜌𝜔2 + 𝜕 𝜕𝑥𝑗(𝜌𝜔𝑢𝑗) = 𝛾 𝜕𝑥𝑗[(𝜇+ 𝜎𝑘𝜇𝑡) 𝜕𝑘 𝜕𝑡(𝜌𝜔) + 𝜕 𝜕 (2) 𝜕𝑥𝑗] + { 𝜕𝑘 𝜕𝜔 +2(1 −𝐹1) 𝜌𝜎𝜔2 𝜔 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑥𝑗 Общий коэффициент использования энергии ветра для гибридной турбины Савониуса–Дарье определяется следующими выражениями [20]: 𝐶𝑃= (𝐶𝑃(𝐷) + 𝐶𝑃(𝑆)) = 𝑃𝐷+𝑃𝑆 1 2∙𝜌∙𝐴1∙𝑉∞3 = 𝜆· 𝐶𝑚 (3) 𝜆= 𝑅∙𝜔 𝑉∞ (4) В таблице 1 приведены геометрические размеры аэродинамического поверхности DU06-W-200. Данные содержат 201 точку по осям X и Y. В правой части таблицы представлен модифицированный файл координат поверхности, подготовленный для импорта в Ansys Fluent. Определение граничных условий является важнейшей частью любой CFD-задачи. Модель исследуемого аэродинамического профиля предполагает изменение угла атаки и турбулентное обтекание его верхней поверхности. Для проведения численного моделирования заданы граничные и начальные условия, представленные в таблице 2. “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 175 Computer science and information-communication systems Таблица 1 Геометрические размеры аэродинамического поверхности DU-06-W-200 Фактический файл данных аэродинамического поверхности DU-06-W-200 Файл данных модифицированной аэродинамической поверхности DU-06-W-200 Номер группы Номер точек X Y Z X Y 1 1 1.00300 0.00000 0 1.00300 0.00000 1 2 1.00003 0.00033 0 1.00003 0.00033 1 3 0.99507 0.00099 0 0.99507 0.00099 0.98874 0.00179 1 4 0.98874 0.00179 0 0.98084 0.00282 1 5 0.98084 0.00282 0 0.97135 0.00413 1 6 0.97135 0.00413 0 Таблица 2. Граничные условия и входные параметры Параметр Значение Тип анализа Стационарный Тип аэродинамического профиля (Дарье) DU-06-W-200 Скорость потока 10 м/с Рабочая температура 23 °C Рабочее давление 1·10⁵ Па Плотность воздуха 1,23 кг/м³ Длина хорды профиля L = 0,2 м Динамическая вязкость воздуха μ = 1,7894·10⁻⁵ кг/(м·с) Турбулентные модели SST k-ω, k-ε Число Рейнольдса Re = 1,05·10⁶ Режим течения Турбулентный (Re > 5·10⁵) Результаты. На рисунке 1 представлены результаты геометрического моделирования и CFD-симуляции гибридной турбины Савониуса–Дарье в Ansys Fluent при скорости ветра 10 м/с. На рис. 1(a) показана двумерная геометрическая модель расчётной области. Диаметр турбины принят равным 0,6 м. На рис. 1(b) изображена расчётная сетка, разбивающая геометрическую модель на 58 400 элементов. В каждом элементе решаются уравнения Навье–Стокса и энергии. На рис. 1(c) представлено распределение давления на поверхности турбины. Максимальное давление достигает 82 Па. На рис. 1(d) и (k) показано распределение скорости воздушного потока на лопастях турбины, которая варьируется от 2 до 15 м/с. На рис. 1(h) приведена зависимость коэффициента эффективности гибридной турбины от коэффициента быстроходности λ в условиях переменного ветрового потока. Установлено, что максимальное значение коэффициента эффективности составляет 0,42 при λ = 3. Заключение. Исследовано влияние формы, материала и аэродинамики лопастей на эффективность и надёжность ветроэнергетических установок с вертикальной осью в условиях переменных ветровых потоков. На основе анализа подтверждена целесообразность применения CFD-модели в программном комплексе Ansys Fluent для проектирования оптимальных геометрических параметров лопастей. Выполнено двумерное проектирование и моделирование гибридной ветровой турбины типа Савониус–Дарье в Ansys Fluent, а также оценена её эффективность в условиях переменных ветровых потоков. Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 176 Informatika va axborot-kommunikatsion tizimlar a) b) c) d) 0,5 0,4 0,3 Cp 0,2 0,1 1,2 1,5 1,7 1,8 2 2,4 3 3,2 3,4 3,6 𝜆 k h) Рис 1. Результаты моделирования ветрогенератора в системе Ansys Fluent Моделирование проведено с использованием аэродинамического профиля DU-06-W200 при скорости потока 15 м/с, температуре 23 °C, давлении 1·10⁵ Па, плотности воздуха 1,23 кг/м³, длине хорды 0,2 м, динамической вязкости 1,7894·10⁻⁵ кг/(м·с), турбулентных моделях SST k-ω и k-ε и числе Рейнольдса 1,05·10⁶. Приведены значения коэффициента эффективности гибридной турбины в переменных ветровых потоках. Установлено, что максимальное значение коэффициента эффективности достигает 0,42 при коэффициенте быстроходности лопастей, равном 3