Лопатки пропеллеров и ветрогенераторов проектируются на основе аэродинамических принципов, описанных математически более века назад. Однако инженеры давно поняли, что эти формулы не всегда применимы, и ввели на основе эмпирических наблюдений поправочные коэффициенты. Специалисты из США предложили новую, более точную физическую модель движения потоков воздуха вокруг ротора, учитывающую даже самые экстремальные условия.
Теория импульса для текучей среды была разработана в конце XIX века и позволяет инженерам рассчитать максимальное количество энергии, которую способен выдать ротор данной конструкции и конфигурации или сколько энергии нужно выработать, чтобы он давал нужное количество движущей силы.
Однако эта теория почти сразу разбилась о практику, так как не смогла предсказать не только количество, но и направление изменений осевой силы на высоких скоростях вращения или при других углах лопаток. Поэтому при разработке роторов инженерам приходилось вводить в математические формулы поправочные коэффициенты, основанные на экспериментах и личном опыте.
Команда ученых из Массачусетского технологического института проанализировала взаимодействие воздушного потока и турбин при помощи подробной компьютерной модели аэродинамики, сообщает MIT News. Обнаружив расхождения с первоначальной теорией, они внесли исправления, применив фундаментальные уравнения, которые были созданы для предсказания силы тяги трехмерных крыльев. После этого исправленную теорию испытали на модели динамики жидкостей и в аэродинамической трубе.
Новую теорию можно применять для определения сил, скорости струи и мощности ротора, и когда он получает энергию воздушного потока, как в случае ветрогенератора, и когда отдает энергию потоку, как в случае винта самолета или корабля. Для операторов ветропарков модель предлагает более простой и быстрый способ оптимизации множества параметров, которые им приходится учитывать для того, чтобы ветряк работал с максимальной отдачей.
Кроме того, формула меняет прежний лимит значений, то есть утверждает, что ветрогенераторы могут получать чуть больше энергии ветра, чем считалось ранее.
«Теперь, когда у нас есть новая теория, предел Бетца, который был эмпирическим правилом на протяжении сотни лет, изменился, — сказал Майкл Хауленд, один из исследователей. — И это можно применить на практике уже сейчас».
На протяжении 15 лет Япония использует вертикальные соосные турбины противоположного вращения, вырабатывающие энергию даже при слабом ветре. Недавно на одном из Гавайских островов решили опробовать это решение.
