Аэросервотермоупругое моделирование арктических ветроэнергетических установок, расположенных на деградирующих многолетнемерзлых основаниях

В связи с богатыми залежами топливных и минеральных ресурсов, стратегическим значением Северного морского пути, а также роли в обеспечении национальной безопасности страны Арктика является чрезвычайно важным для России регионом. Эта территория отличается экстремальными природно-климатическими условиями, низкой плотностью населения, удаленностью от основных промышленных центров и зависимостью хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения от поставок топлива, продовольствия и товаров первой необходимости из других регионов страны. Суммарный завоз дизельного топлива составляет более 350 тыс. тонн за год. Наносится значительный ущерб ранимой северной природе выбросами парниковых газов и продуктов сгорания топлива. В то же время ресурсы возобновляемых источников энергии (прежде всего ветровой) в этих регионах достаточно велики для экономически эффективного использования. Модернизацию и строительство новых систем энергоснабжения в Арктике эффективно проводить путем создания систем энергоснабжения с адаптированными к российским климатическим условиям ветроэнергетическими установками (ВЭУ). Большинство современных проектов на территории российской Арктики используют импортные ВЭУ, применение которых сопряжено со множеством трудностей из-за ухода иностранных производителей оборудования, разработчиков методик и ПО для проектирования ВЭУ. В связи с этим, необходима разработка отечественной методики проектирования ВЭУ с использованием передовых технологий и цифровых методов моделирования. Особенно это важно для российской Арктики, где экстремальные условия требуют разработки уникальных арктических ВЭУ особого класса S со специальными конструкциями башен и фундаментов для строительства на многолетнемерзлых грунтах, подверженных деградации вследствие глобального потепления. Проблема моделирования арктических ВЭУ является актуальной и для других стран: за последние годы опубликован ряд зарубежных работ, посвященных моделированию и исследованию ВЭУ на многолетнемерзлых грунтах на Аляске. Применяемые в данных работах подходы основываются на методах аэросервоупругого моделирования ВЭУ, при этом проблема учета деформационных свойств многолетнемерзлого основания решается индивидуально на основе упрощенных эмпирических закономерностей и зафиксированных натурных данных о температуре основания в конкретный момент времени без учета прогнозных климатических изменений и теплофизических процессов в основании. Настоящий проект направлен на разработку комплексной методики моделирования ВЭУ для суровых природно-климатических условий регионов Арктики. С этой целью планируется дополнить методы аэросервоупругого моделирования ВЭУ теплофизическими и упругопластическими моделями многолетнемерзлого основания для создания методики аэросервотермоупругого моделирования системы «ВЭУ - фундамент - основание», учитывающего вращение ветроколеса, систему управления, колебания лопастей, башни, фундамента при действии арктического турбулентного ветрового потока для расчета энергетических характеристик ветроагрегата и анализа надежности и устойчивости установки при прогнозных климатических изменениях. Важным аспектом является слабая изученность явлений, происходящих в мерзлых и оттаивающих основаниях при динамических воздействиях, и отсутствие методов их моделирования с учетом физико-механических свойств грунта и частоты, амплитуды динамического воздействия. Для валидации разрабатываемой методики проектом предусматриваются лабораторные модельные и натурные исследования системы «ВЭУ-фундамент-основание». Запланированные научные результаты посвящены актуальным проблемам и соответствуют мировому уровню исследований в области арктического строительства и проектирования объектов ветроэнергетики, поскольку впервые будет проведён комплексный анализ и моделирование взаимодействия ВЭУ с её фундаментом и многолетнемерзлым основанием в условиях арктического климата и деградации мерзлоты.