Традиционная гидроэнергетика с использованием плотинной технологии является крупнейшим источником возобновляемой энергии. Однако существует ряд проблем, связанных с серьезными нарушениями экосферы: затопление плодородных территорий, нарушение миграции рыб и изменение естественного стока. В поисках альтернативы в статье предлагается рассмотреть новую бесплотинную технологию – гидроэнергобашню (ГЭБ), которая не требует дорогостоящих строительно-монтажных работ по перегораживанию русла. Технология проста в эксплуатации, так как включает два основных строительных элемента – спиральный коллектор для закрутки потока и гиперболическую башню, где формируется устойчивый вихрь. В работе с целью верификации концепции выполнено детальное CFD-моделирование в пакете ANSYS CFX с использованием SST k-? модели турбулентности и оценкой сеточной сходимости. Валидация модели проведена путем сравнения профиля тангенциальной скорости с комбинированным вихрем Ранкина (среднеквадратичное отклонение менее 8 %). Энергетический анализ на основе уравнений Бернулли и Навье – Стокса показал, что при расходе 18 м3/с и глубине установки 7,5 м, установка способна генерировать 1 МВт и более электрической мощности при полном КПД 0,82. Результатом работы является доказательство того, что мощные вихревые эффекты, создавая высокие локальные скорости в ядре до 38,2 м/с, не формируют существенного дополнительного напора (разрежение не превышает 0,02 м вод. ст.), а обеспечивают устойчивый подъем.
Traditional hydropower using dam technology is the largest source of renewable energy. However, there are a number of problems associated with serious violations of the eco-sphere: flooding of fertile areas, disruption of fish migration and changes in natural flow. In search of an alternative, the article proposes to consider a new non-dam technology – the Hydropower Tower (GEB), which does not require expensive construction and installation work to block the channel. The technology is easy to operate, as it includes two main building elements – a spiral collector for twisting the flow and a hyperbolic tower, where a stable vortex is formed. In order to verify the concept, detailed CFD modeling was performed in the ANSYS CFX package using SST k-? turbulence model and grid convergence estimation. The model was validated by comparing the tangential velocity profile with the combined Rankine vortex (standard deviation less than 8 %). Energy analysis based on the Bernoulli and Navier-Stokes equations showed that with a flow rate of 18 m3/s and a plant depth of 7.5 m, the plant is capable of generating 1 MW or more of electrical power with a full efficiency of 0.82. The result of the work is a proof that powerful vortex effects, creating high local velocities in the core up to 38.2 m/s, do not form a significant additional head (the vacuum does not exceed 0.02 m of water st.), but provide a stable rise.
1. Poff N. L., Schmidt J. C. How dams can go with the flow // Science. 2016. № 353 (6304). Р. 1099–1100. DOI: 10.1126/science.aah4926.
2. Shang Y., Shang L., Li X. Technological Innovations and Advances in Hydropower Engineering. 2022. 116 р. DOI: 10.5772/intechopen.94652. ISBN 978-1-83968-915-4.
3. Basel I. Abed Ismail Introductory Chapter: Performance and Design Aspects of Hydro-Turbines for Green Hydroelectric Power Generation // Advances in Hydropower Technologies. 2025. DOI: 10.5772/intechopen.1005681.
4. Deniz ?nsalan. Parametric analysis of gravity Vortex turbines as a low cost renewable energy alternative from low head hydraulic resources // Scientific Bulletin of Naval Academy. 2020. DOI: 10.21279/1454-864x-20-i1-003.
5. Ахметов В. К. Влияние закрутки на устойчивость течений в каналах // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2021. № 3. С. 69–72. DOI: 10.37882/2223-2966.2021.03.02.
6. Поливанов П. А., Хотяновский Д. В., Кутепова А. И., Сидоренко А. А. Исследование различных подходов к моделированию ламинарно-турбулентного перехода в сжимаемых отрывных течениях // Прикладная механика и техническая физика. 2020. № 5. С. 40–51. DOI: 10.15372/PMTF20200505.
7. Роуч П. Дж. Вычислительная гидродинамика / Пер. с англ. В. А. Гущина, В. Я. Митницкого; под ред. П. И. Чушкина. М.: Мир, 1980. 616 c.
8. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. Is. 8. P. 1598–1605.
9. Muhammad Mobeen, Saqib Jaweed, Ahmad Abdullah, Shummaila Rasheed, Manzar Masud Parametric Optimization of Gravitational Water Vortex Turbines for Enhanced Torque Generation // Engineering Proceedings. 2023. Vol. 45 (1). P. 3. DOI: 10.3390/engproc2023045003.
10. Chung T. J. Computational Fluid Dynamics. MONOGRAPH published 27 September 2010. DOI: 10.1017/cbo9780511780066.
11. Митрофанова О. В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-электрических установок. М.: Физматлит, 2010. 286 с. [Электронный ресурс]. URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=68969 (дата обращения: 14.04.2026). ISBN 978-5-9221-1223-9.
12. Бардаков Р. Н., Чашечкин Ю. Д. Формирование регулярной последовательности вихревых петель вокруг вращающегося диска в стратифицированной жидкости // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2017. № 3. С. 3–11. DOI: 10.7868/S056852811703001X.
13. Dellinger N., Fran?ois P., Lefebure D., Mose R., Garambois, P. A. An experiment of a hydropower conversion system based on vortex-induced vibrations in a confined channel // Renewable Energy 2018. Vol. 115. P. 54–63. DOI: 10.1016/j.renene.2017.07.122.
14. Алексеенко С. В., Куйбин П. А., Окулов В. Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. Новосибирск: ИТ, 2003. 504 с.
15. Алексеенко С. В., Дектерев А. А., Литвинов И. В., Минаков А. В., Пылев И. М., Шандро А. И., Шторк С. И. Численное и экспериментальное моделирование течения в отсасывающей трубе гидротурбины // Журнал СФУ. Техника и технологии. 2011. № 5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/chislennoe-i-eksperimentalnoe-modelirovanie-techeniya-v-otsasyvayuschey-trube-gidroturbiny (дата обращения: 03.04.2026).
16. Скрипкин С. Г., Литвинов И. В., Шторк С. И. Экспериментальное исследование структуры закрученного течения в лабораторной модели отсасывающей трубы гидротурбины // Вестник ИрГТУ. 2013. № 3 (74). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnoe-issledovanie-struktury-zakruchennogo-techeniya-v-laboratornoy-modeli-otsasyvayuschey-truby-gidroturbiny (дата обращения: 03.04.2026).