יסודות דינמיים פלויד של אנרגיה גבוהה לתפוס

מערכות אנרגיית רוח אוויר (AWES) מייצגות שינוי יסודי בטכנולוגיית אנרגיית הרוח, מתרחקות מהמגדלים הנוקשות והנוולים הכבדים לעבר כנפיים מלוטשות קלות משקל, המטיסות דפוסים בין 200 ל-800 מטרים.ההצעה המרכזית של AWES היא פשוטה: ללכוד את הרוחות החזקות יותר, מתמשכים יותר מעל הקרקע.

שכבת הגבול האטמוספרית (ABL) היא המשאב ש- AWES חייב לנצל.בניגוד לטורבינות רוח קונבנציונלית שחווה פרופיל רוח אחיד יחסית על פני הדיסק המסתובב שלה, כנף AWES עוברת דרך להקה רחבה של גובה רחב, נתקלה במהירויות רוח משתנות בהתאם לחוק הכוח או חוק הינאריקה, זה עשב אנכי יוצר תנאי טעינה ייחודיים.

ריינולדס מספר, שכבות מבוכות, ובועות הפרדה למיניאר

(האתגר הקריטי ב-AWES aeroדינמיקה הוא מספר ריינולדס נמוך יחסית (Re) שבו מערכות רבות פועלות.מספר ריינולדס, כמות ללא ממד המשווה כוחות לא רצויים לכוחות מול כוחות מולקווס, מכתיב את האופי של שכבת הגבול על פני השטח של האגף (AWES) לכדי אזור של 15 עד 25 מ"ר, המספר מבוסס ריינולדס נופל בדרך כלל בין 1 ל-F2:2F: 210 שעות מעבר בינוני, 2.

במשטר זה, מהנדסים חייבים להתמודד עם בועות הפרדה laminar (LSB) טפסים LSB כאשר שכבת הגבול laminar נפרדת משטח האוויר, מעברים כדי להתנגשות במרחק קצר במורד הזרם, ולאחר מכן retaches נרחב כמו ספקטרום גבול מסוים של בועות רוח, כולל אפקט סגסוגת אווירי נמוך, כולל אפקט פתור גבוה של רזולוציה גבוהה של אפקט מרכזי של אפקט אווירי, אבל הוא לעתים קרובות מצמצם את ההשפעה של אווירי אווירי לחץ על פני טווח גבוה של פתור גבוה של רזולוציה גבוהה של אפקט אווירי תיבות של אפקט אווירי.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

משוואה הכוח הבסיסית של AWES היא FLT:0 (P=Figple) 1 tetherFLT:2 × vigph:3reel-outph:0 ⁇ FLT:5 tetherph הוא באופן ישיר פרופורציונלי לגרור את מערכת האנרגיה הגבוהה ביותר (L) ולכן מאפשר לטבולית גבוהה יותר (LD) גבוהה יותר, לעומת זאת, באופן יחסי, לעומת זאת, לגרור את הרמה הגבוהה ביותר, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, אם כן, לדרגה גבוהה יותר, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, אם כן, לדרגה גבוהה יותר, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, היא גבוהה יותר, היא גבוהה יותר, אם כן, לגרור את היישר, לדרגה גבוהה יותר, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, לגרור את היישר, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, היא גבוהה יותר, לדרגה גבוהה יותר, אם כן, לדרגה גבוהה יותר, לגרור את היישר, לגרור את היישר, לגרור את היישר, לגרור את היישר, אם כן, אם כן, אם

עם זאת, תקציב גרור המערכת אינו מוגבל לאגף לבדו.האתר מציג רכיב גרר משמעותי.כפי שהאגף טס חוצה את הרוח, ה-tether עוקב אחר מסלול מעוקל באוויר, וכל פלח של ה-tether מייצר כוח גרר משמעותי שפועל נגד התנועה של ה- Ltherteernp. זה לעתים קרובות מודל באמצעות עקרון חוצה, אשר מנקה יחסי הרוח לתוך רכיבי ה-D הרגילים.

מערכת התנצלויות וחתימות האירודינמיקה

לא כל AWES חולקים את אותם מגבלות דינמיות נוזליות.הבחירה בין ארכיטקטורות קרקעיות לבין ארכיטקטורות של גן זבוב, ובין כנפיים קשיחות ועפיפונים גמישים, משנה באופן בסיסי את מרחב העיצוב האירודינמי.

מערכות עור: טעינה Cyclical ו- High L / D דורש

מערכות הגן הקרקע, כגון אלה שפותחו על ידי SkySails Power ו Kitepower, לייצר חשמל על הקרקע על ידי tether החוצה תחת מתח גבוה ולאחר מכן reeling אותו מתחת למתח נמוך במחזור דוכני. במהלך שלב reel-out, הזרוע חייבת לפעול במהירות גבוהה מאוד L / D כדי למקסם את המתח הtether.זה דורש זווית מדויקת של שליטה אווירית והתקפות אוויריות נמוכות על ידי זרם אנרגיה מופחתת מופחתת, לעתים קרובות לגרור באופן פעיל.

מערכות Fly-Gen: Propulsive-Airframe

מערכות Fly-gen, כגון פרויקט Makani לשעבר, לייצר חשמל על גבי האגף באמצעות טורבינות קטנות. טורבינות אלה רכובות על מבנה הכנפיים ויש להשתלב בקפידה בשדה זרימת האווירודינמיקה.האינטראקציה בין השלווה מתעוררת לבין פני השטח של הכנפיים היא שיקול עיצוב קריטי.הטורפות מופקות מהזרם, אשר מפחיתה את המהירות המקומית על פני הזרוע ויכול להשפיע על הפצה ודרדרדרדרדרדרדרדרדר יתר על פני השטח.

  • (ב) ,0) מעריצים מהונדסים (FLT:1): לספק דחף גבוה יותר לאזור יחידה וניתן לשלב במבנה הזרוע עם עונשי גרר נמוכים יותר, אך הם מוסיפים משקל ומורכבות.
  • (FLT:0) ,Rrerereshph 1: פשוטr וצומח, אבל המיקום שלהם ביחס לקצה המוביל או קצה שביל הוא קריטי. a Open rotor upstream של הזרוע דוחף אוויר סוער, מתפתל על פני השטח של כנף, פוטנציאל להפחתת הביצועים האירודינמיקה.

שתי התצורה דורשת סימולציה נאמנות גבוהה כדי לפתור את הדינמיקה המורכבת של מערבולת ואת טעינה לא יציבה הטבועה באינטגרציה propulsive-airframe.

Soft Kites: Fluid-Structure אינטראקציה בפעולה

ערכות גמישות, הידוע גם כבעיה חדשנית מנפח (LEI) ערכות או ערכות טבלאות של סיטוח, להציג את הבעיה האינטראקציה מבנית-מבנה הנוזלית החבויה (FSI) בתחום AWES.הגאומטריה של כנפיים אלה אינה קבועה על ידי ספא קשיחים או צלעות הפיכה; הוא מוגדר על ידי לחץ האוויר הפנימי, המתח בקווים מרהיבים, ואת העומס החיצוני של הפירוק, אשר יכול לשנות את האלמנטים של הפירוק של הפירוק, אשר תחת ה-Frams-Frams-Fformation המקומי.

סימול ערכות רכות הוא אינטנסיבי חישובי, אבל חיוני לחיזוי ביצועים.תופעות מפתח כוללות:

  • (ב) ,0) ,(התדרות של חליל: 1) ו[דרוש מקור], על ידי תנודות לחץ בלתי יציבות ליד קצה השביל.
  • (ב) ,0) התערבות קו ליברלית (FLT:1), שם רשת הקווים התומכים בערכת יוצר גרור נוסף ויכולה לשבש את זרימת הקוף מעל הקנוניה.
  • (ב) ,0) התמוטטות של צומת דרכים (ב) בפלפלציה נמוכה או תנאי עומס גבוה, דבר שגורם לאובדן קטסטרופלי של מעלית.

חברות כמו FLT:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.000 חברות כמו סימולציות FSI כדי לחזות את התנהגותן של מערכות הרכה שלהן על פני המעטפה המבצעית המלאה.

הערכה מתקדמת ואימות ניסיוני

פיתוח AWES חזק דורש הבנה עמוקה של תופעות זרימה מקומיות וביצועים מערכתיים גלובלית.מחזורי עיצוב מודרניים מסתמכים על גישה עניבה: מודלים מסדר נמוך עבור sizing ראשוני, בינוני-Fidelity CFD עבור עיצוב ההסרה, וסימולציה גבוהה נאמנות בשילוב עם בדיקות מנהרה עבור אימות.

Fluid Dynamics: From RANS to les

ריינולדס-הוברד Navier-Stokes (RANS) הם עבודת ההצתה של תהליך העיצוב של AWES.הם מספקים תחזיות מהירות ואמינה של מעלית וגרור עבור תנאים יציבים של המדינה והם מתאימים היטב למחקרים parametric של צורות אוויריות, תוכניות כנף, ו-tether Geometries.

עבור נאמנות גבוהה יותר, מהנדסים פונים אדדי סימבול (שכבות) גדול, אנרגיה המכיל מבנים סוערים בזרם תוך מודל רק את המאזניים הקטנים ביותר, הניתוק. גישה זו לוכדת את הכוחות הטרנסנדנטליים הקשורים לדוכני דינמי, מפגשים גורים, ותעורר אינטראקציות.

בדיקת מנהרת רוח: חוקי סקר ותנאים קשים

אימות פיזי נשאר צעד קריטי.המבחן של מנהרה רוח של AWES מציג אתגרים ייחודיים כי המערכת כוללת tether ארוך וגמיש שקשה לייצג בקנה מידה. תואמים באופן קבוע את מספר ריינולדס הוא חשוב עבור סימולציה מדויקת של גבולות.זה דורש לעתים קרובות בדיקות מודלים במנהרות מתוחכמות או במהירויות גבוהות כדי לפצות על הסקאלה מופחתת.

בנוסף, יש לשקול את מספר הפרודי לדינמיקה tetherd.מספר פרודי מתייחס לכוחות אינרטיים לכוחות הכבידה, והוא שולט בצורת הקטנרי ותגובה דינמית של הtether. Scaling הן מספר ריינולדס והן מספר פרודה בו זמנית הוא בלתי אפשרי פיזית ברוב המנהרות, מה שמחייב את החוקרים להתקדם באופן טיפוסי.

מערכות בקרה ו-Real-Time Aerodynamics

הקשר בין דינמיקות נוזליות לבין שליטה הוא שבו AWES ממבדיל את עצמו באופן משמעותי ביותר מטורפות רוח קונבנציונליות. הסביבה האירודינמית של טורבינה היא יחסית יציב; המטוס המסתובב קבוע, וקלט הבקרה העיקרי הוא blade המגרש. AnWES, לעומת זאת, הוא גוף אווירודינמי מאוד שיש לשלוט בו באופן פעיל כדי לעקוב אחר מסלול אופטימלי דרך השמיים.

אופטימיזציה של Trajectory ו- Crosswind Maneuver

דפוס הטיסה חוצה הוא המאפיין המגדיר של AWES. על ידי טיסה לכיוון הרוח, הזרוע חווה מהירות אוויר יחסית הרבה יותר גבוה מאשר מהירות הרוח עצמה.זה מהירות רוח ברורה כי הגדלה נשלטת רק על ידי הגיאומטריה של נתיב הטיסה ואת L / D של הזרוע.מערכת הבקרה חייב לתכנן מסלול הממקסם את ההגברה הזו תוך שמירה על הגבולות המבניים של האגף ואגף.

מודלים של דינמיות פלוליטיות מוטבעים ישירות באופטימיזציה של המסלול.מודל שליטה חיזוי (MPC) מסגרות להשתמש במודלים אנירודינמיקה פשוטים כדי לחזות את הכוחות ואת המתקנים על הזרוע עבור נתיב טיסה נתון ולאחר מכן להתאים משטחים שליטה בזמן אמת כדי לעקוב אחר הנתיב הזה.דיוק של מודלים אלה קובע ישירות את תפוקת הכוח העמידה.

המונחים: Lidar and Load Estimation

אחד האזורים המבטיחים ביותר של התפתחות הוא בזמן אמת בזרימה חישה.בניגוד לטורבינה, שיושבת במיקום קבוע, כנף AWES חוקרת באופן פעיל חלקים שונים של האווירה. מערכות לידר שולבו על הקרקע או על הזרוע יכולים למדוד את הרוח לפני האגף, מתן אות להאכיל קדימה לבקר.זה מאפשר למערכת לצפות גוסטים ולתאם את נתיב הטיסה לפני הכתות.

בהיעדר מדידות זרימה ישירות, הזרוע עצמה יכולה לשמש כתאים חיישן. לטעון על יחידות מדידה tether ו-Inertial מדידות (IMUs) על הזרוע לספק זרם של נתונים שניתן להאכיל ל- estimator מבוסס צופה.הסטמטור ממריץ את השדה המקומי מתגובת הזרוע, ומאפשר למערכת הבקרה להסתגל לתנאים ללא דינמיקה ייעודית של ניתוח נוזל.

מסחר, אמינות, והדרך

הכדאיות המסחרית של AWES תלויה בהשגת אמינות גבוהה בסביבה אווירודינמית סטוצ'סטית.המעבר מטיפוסי מחקר ומערכות בקנה מידה תועלת דורש גישה קפדנית לניתוח עומס, חיזוי עייפות וההסמכה.

מטען, עייפות והסמכת

העומסים האירודינמיים הבלתי יציבים על כנף AWES מורכבים הרבה יותר מאלה על טורבינות קונבנציונלית. דוכנים דינמיים, אוצילציות מושרה tether, וזעזוע אטמוספירי כולם תורמים לספקטרום עשיר במחזורי הסמכת עייפות.

קמפיינים גבוהים של CFD משמשים כדי להגדיר את המעטפה העיצובית.מהנדסים לרוץ אלפי סימולציות המכסות מאטריקס של מהירויות רוח, זעזועים, ובמדינות תפעוליות.החלוקות של העומס המתקבלות משמשים כדי להניע סימולציות יסוד סופיות של המבנה האגף והטנטר.האתגר העיקרי הוא להוכיח כי האגף יכול לשרוד אירועים קיצוניים ומפוע; כגון כשל פגום בהפסד אחד או ללא מגבלות עיצוב קטסטרופליות.

תפקידה של Machine Learning

למידת המכונה מתפתחת ככלי רב עוצמה לגשר על הפער בין פיזיקה גבוהה נאמנות לבין שליטה בזמן אמת. רשתות נילי המוכשרות על לוחות נתונים גדולים של CFD או ML יכול לשמש במהירות, מודלים פונדקאיים מדויקים לכוחות אווירודינמיים. פונדקאים אלה יכולים להיות מוטבע במערכות בקרה, מתן דיוק של les ללא הלכידות חישובית.

מסקנה

מערכות אנרגיית רוח באוויר אינן תחליף לטורבינות רוח קונבנציונליות; הן טכנולוגיה משלימה שנועדה לגשת למשאב שלא היה מרוצה קודם לכן.הדרך לפריסה יעילה, בקנה מידה יעיל, בקנה מידה רב של תועלת מסוללת עם דינמיקות נוזליות.כל החלטה עיצובית מרכזית ומפוחדת; מבחירה של חומר לאלגוריתם התכנון המהיר שלה ואלגוריתם; בסופו של דבר החלטה אירובית חייבת להמשיך להשקיע בסימולציה ניסיונית, לא בטוחה, אינה יכולה לפעול באופן בלעדי, אלא גם על בסיס-אי-אי-אי-אי-תחומי עניין של מערכות-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-מציאותי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-אי-מציאותישנה, רק על-אי-אי-אי-מציאותי, רק על-מציאותי, על-מציאותישנה, כלומר, על-אי-אי-אי-אי-מציאותישנה, על-ידי מערכת-מציאותי-מציאותי-ידי מערכת-ידי מערכת-ידי