بخشی از مقاله
چکیده
نگرانیهای زیست محیطی به دلیل استفاده از منابع فسیلی برای تولید انرژی، باعث گسترش و پیشرفت سریع در استفاده از منابع اولیه انرژیهای تجدیدپذیر شدهاست. در میان این منابع، باد یکی از ارزان ترین منابع اولیه انرژی جایگزین سوختها فسیلی است. از این رو بهبود مشخصه عملکرد توربینهای بادی، سبب فراگیرتر شدن استفاده از آنها خواهد شد.
بدین منظور، شبیهسازی توربینهای بادی برای تحلیل عملکرد انواع طراحی آنها ضروری است. در مقاله پیشرو، عملکرد دو نوع پره توربینهای بادی محور عمودی داریوس نوع H با یکدیگر مقایسه و توربین با کارآیی بالاتر جهت طراحی و ساخت توربین انتخاب شد. پره توربین نوع اول دارای تقارن محوری و نوع دوم کمبردار است. جهت مدلسازی و مقایسه این دو نوع پره، از نرم افزار تحلیلکننده ANSYS Fluent استفاده شده است.
در شبیهسازی، از حل معادلات ناویر استوکس به روش میانگین رینولدز در حالت ناپایدار - URANS - برای مدلسازی بهره برده شده است.
عنوان مقاله
مش چرخان بنا نهاده شده و از حل گذرا برای نمایش پدیدههای دینامیکی استفاده شد. هر دو بخش مشبندی و گامهای زمانی برای رسیدن به حلهای مستقل بهبود یافته و مش دوبعدی با کیفیت بالا با استفاده از ابزار مشزنی ANSYS به دست آمد. همچنین با الگوریتم حل همزمان فشار-سرعت - PISO - ، کانتور سرعت و فشار جهت مقایسه پره دو نوع روتور استفاده شد. در این مقایسه با بررسی پارامترهای عملکرد خروجی دو نوع روتور، مشخص گردید که استفاده از پره روتور دارای تقارن محوری در بهبود پارامترهای خروجی تاثیر زیادی دارد.
واژههای کلیدی — توربین بادی محور عمودی، داریوس نوع H، مدلسازی، دینامیک سیالات محاسباتی، الگوریتم PISO، پره روتور متقارن، پره روتور کمبردار، بهبود کارآیی توربین.
.1 مقدمه
منابع اولیه اصلی انرژی تجدیدپذیر شامل بایومس، خورشید، باد، انرژی امواج و زمینگرمایی است. در میان این منابع، باد را به عنوان یکی از در دسترسترین و ارزانترین منبع انرژی شناخت .[1] در حال حاضر توان نصب شده در حوزه انرژی بادی بیشترین ظرفیت برق تولیدی در بخش انرژیهای تجدیدپذیر را در جهان به خود اختصاص داده است .[2] از این رو پژوهش در زمینه توربینهای بادی از مسائل جذاب و بهروز دنیا به شمار میرود.
توربینهای بادی در یک دستهبندی به دو نوع کلی توربینهای بادی محور عمودی و محور افقی تقسیمبندی میشوند .[3] گرچه ضریب توان توربینهای بادی محور عمودی نسبت به توربینهای محور افقی کمتر است، اما استفاده از این نوع توربینها بهواسطه ساخت سادهتر، سازگاری با محیطهای مختلف، کنترل و نصب آسان آنها، در ابعاد کوچک بسیار مهم و فراگیر شدهاند. امروزه محققان برای بهبود عملکرد و بهینهسازی طراحی روتور توربینهای محور عمودی تلاش زیادی میکنند
یکی از روشهای طراحی توربینهای بادی، شبیهسازی با استفاده از کدهای عددی است. از میان این کدها روش گردابه - Vortex - و یا مدل جریان لولهای چندگانه - Multiple Stream Tube - تاکنون بررسی شدهاند. این کدها بر اساس معادلات یک بعدی بوده و به ضرایب آیرودینامیکی ایرفویل که بر اساس دادههای تجربیاند، نیاز دارند.
درنتیجه، توانایی پیشبینی مشخصات دنبالههای جریان را ندارند و از معادلات نیمه تجربی برای پیشبینی تاثیر آنها استفاده میکنند. بنابراین این کدهای عددی بهطور اساسی برای طراحیهای اولیه توربینها استفاده میشوند و نتایج آنها برای صحت سنجی باید با دادههای تجربی مقایسه شوند. با استفاده از تونل باد، اعتبارسنجی داده های تجربی از نظر زمان و هزینه بسیار گران بوده و مقایسه نتایج عددی و دادههای تجربی همیشه امکانپذیر نیست. روش دیگر و مناسب برای پیشبینی رفتار روتور که نتایج قابل اطمینانی میدهد، استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - است
یکی از دغدغههای بزرگ در توربینهای بادی محور عمودی داریوس انتخاب ایرفویلهای ناکای چهار رقمی است .[10] ایرفویلهای ضخیمتر ناکا نیروی لیفت و درگ بیشتری تولید میکنند. بهمنظور عملکرد بهتر این توربینها، به ایرفویلهای ضخیمتر همچون NACA0015، NACA0018 وNACA0021 نسبت به ایرفویلهای نازکتری مانند NACA0012 توجه بیشتری شدهاست. وقتی ضخامت افزایش مییابد، شعاع انحنای لبه جلویی نیز افزایش مییابد. این بهنوبه خود باعث تغییرهای خفیف فشار و عملکرد بهتر در برابر پدیده واماندگی میگردد. از طرفی ایرفویل های نازکتر وقتی برای توربینهای دارای صلبیت پایینتر به کار میروند در نسبت سرعت راس بالا - بزرگتر از - 3 عملکرد بهتری دارند. بنابراین در این مقاله ایرفویل استاندارد NACA0018 برای بررسی تاثیر کمبر در توربین بادی داریوس انتخاب شد.
برای پیشبینی عملکرد توربین بادی محور عمودی داریوس نوع H، از روش مدلسازی دینامیک سیالات محاسباتی با حل معادلات ناویر استوکس به روش میانگین رینولدز در حالت ناپایدار بهره برده شده است . این امر برای مقایسه عملکرد دو نوع پره - روتور NACA0018 و روتور - S1223 استفاده شده است.
در بخش دوم حل عددی CFD بهینه برای مدلسازی توربینهای بادی مورد نظر ارائه شده است. در بخش سوم مواد و روشهای مورد نیاز برای این راه حل با ذکر جزییات توضیح داده شده است. نتایج و پردازش آنها در بخش چهارم آورده شده است و در انتها جمعبندی در بخش پنجم ذکر گردید.
.2 مدل عددی حل دینامیک سیالات محاسباتی
پروسه شبیهسازی دوبعدی CFD برای توربین بادی محور عمودی داریوس نوع H، با استفاده از قسمت Workbench نرمافزار ANSYS 2016 و در محیط Fluent صورت گرفته است. بهطور خاص در این مقاله مساله با استفاده از روش حجم محدود معادله ناویر-استوکس با مدل URANS و تغییرات مشخصه عملکرد ضریب توان - CP - به ازای دو نوع ایرفویل پره توربین بهصورت گذرا حل شده است. استفاده از مدل حل معادلات ناویر استوکس به روش میانگین رینولدز در حالت ناپایدار - URANS - راه حل خوبی برای پیشبینی توان مکانیکی و ضریب توان برای مدل CFD دوبعدی است.
گامهای انجامگرفته در مدلسازی بر اساس مراحل زیر بوده است:
- رسم هندسه دوبعدی ساده شده و دامنه محاسباتی در نرمافزار Solid Work 2016
- تولید مش با کیفیت، در محدوده دامنه برای مشاهده خواص مدلهای آشفته و دستیابی به مشبندی غیرمستقل
- اجرا و کالیبره کردن نرمافزار Fluent برای مدل توربین بادی محور عمودی
- بهینهسازی مدل k با استفاده از معادلات ناویر استوکس به روش میانگین رینولدز در حالت ناپایدار [14 ,5]
- یافتن گام زمانی مناسب برای حل پایدار [15]
- انجام آزمون استقلال از مش
- نتیجهگیری از قسمت CFD-Post
- انتخاب پره توربین با کارآیی بالاتر
لازم به ذکر است که در بخش انجام آزمون استقلال از مش، در هر مرحله، محاسبه های انجام شده با یک مش با مشهای با سایز بزرگتر از آن، مقایسه میشود تا اختلاف نتایج آنها به مقداری ناچیز برسد
.3 مواد و روشها
در این بخش، برای مقایسه عملکرد توربینهای بادی محور عمودی با مقاطع ایرفویل روتور متقارن و غیرمتقارن - کمبردار - ، مواد دو نوع ایرفویل استاندارد NACA0018 و S1223 در نظر گرفته شده اند. روش مورد استفاده برای بررسی این دو نوع توربین شامل تولید دامنه محاسباتی، مشبندی و مدل مورد استفاده و بهینهسازی آنها است.
توربینهای بررسی شده از نوع داریوس 3 پرهای هستند که مقطع روتور اول، ایرفویل NACA0018 - متقارن - و روتور دوم ایرفویل S1223 - غیر متقارن - است .[11] در ادامه، برای سادگی، توربینهای نوع اول و نوع دوم، روتور A و روتور B نامگذاری گردیدهاند. مشخصات روتور A و B در جدول 1 آورده شده است . این مشخصات شامل تعداد پرهها، نوع ایرفویل، طول پره و کورد، سرعت باد و چرخش توربین، نسبت سرعت نوک پره و شعاع توربین میشود. هیچ اطلاعاتی در مورد شفت روتور وجود ندارد. بهمنظور سادهسازی از اثر شفت روتور چشمپوشی شده و تنها به بررسی پرهها اکتفا شده است.
جدول :1 ویژگیهای روتور تجربی
.1 .3تولید دامنه محاسباتی و بهینهسازی
تولید یک دامنه محاسباتی بهینه برای مساله مورد نظر یکی از بخشهای مهم در پروسه شبیهسازی CFD است .[16] دامنه نباید به قدری کوچک باشد که دیوارهها، بر جریان توربین تاثیر بگذارند و از طرفی نباید آنقدر بزرگ باشد که تعداد مشها و در نتیجه زمان محاسبات، بیهوده افزایش یابد. در استفاده از مدلهای آشفته پبشرفته که در این پژوهش از آن بهره برده میشوند، در تولید شبکه در نزدیکی دیوارهها به دلیل وجود لایه مرزی، شرایط +y<7 باید برقرار باشد .[14] همچنین تعیین شرایط مرزی مناسب برای مساله بسیار مهم است.
برای دستیابی به دامنه محاسباتی مناسب، دامنههای متفاوتی در نرمافزار مش زده و سپس شبیهسازی شدهاند. بهترین حالت یک حلقه چرخان است که چرخش توربین را شبیهسازی میکند. این حلقه چرخان درون یک مستطیل با ابعاد بهینهسازی شده قرار دارد. دامنه محاسباتی به 3 زیر دامنه تقسیم شدهاست. در شکل 1 دامنه حل محاسباتی CFD مناسب، برای توربینهای A و B و همچنین شرایط مرزی در اطراف توربین نمایش داده شده است.
