بخشی از مقاله
محققین امروزی تلاش می کنند از طریق ابزارهای تبدیل انرژی، انرژی موجود در آب آزاد را به خدمت بگیرند. توربین ها ی محور عمودی، ابزار مناسبی برای تبدیل انرژی موجود در جریانات رودخانه ای، اقیانوسی و جزر و مدی می باشند. توربین های محور عمودی دارای معایبی نسبت به توربین های افقی هستند. این توربین ها دارای ضریب توان پایین تر و دارای نغییرات در گشتاور تولیدی به ازای سیکل بارگزاری می باشند. یکی از اهداف این پروژه افزایش ضریب توان تولیدی توربین با توجه به کاهش اعوجاجات مربوط به گشتاور در یک سیکل می باشد. در ای ن مطالعه با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، توربین آبی محور عمودی جریان متقاطع - داریوس - با استفاده از نرم افزار انسیس- فلوئنت شبیه سازی شده است. جهت بهبود عملکرد توربین با اعمال یک مجرای همگراکننده در اطراف آن، ضریب گشتاور در سرعت دورانی مختلف بررسی شده و در نسبت سرعت نوک برابر با 2 بیشترین ضریب گشتاور با توجه به کمترین اعوجاجات نمودار گشتاور، حاصل شده است. با اعمال مجرا در این نسبت سرعت، ضریب توان به میزان 16 درصد افزایش یافته است. سپس با تغییر پارامتر های مربوط به پروفیل پره، تغییراتی که در ضریب گشتاور تولیدی در هر حالت بدست آمده، مورد تحلیل قرار گرفته است.
به تازگی علاقه برای استفاده از انرژی های جذر و مدی، امواج و جریانات رودخانه ای زیاد شده است. یکی از دلایل این علاقه مندی، استفاده از این انرژی برای شارژ کردن تجهیزات مورد استفاده در اقیانوس شناسی می باشد.امروزه این تجهیزات انرژی مورد نیاز خود را از باتری هایی که دارای عمر محدود و هزینه زیاد می باشند تامین می کنند و این در حالی است که منبع نامحدود انرژی جذر و مدی و امواج در اقیانوس ها و رودخانه ها وجود دارد. توربین های آبی جریان متقاطع محور عمودی یکی از وسایلی هستند که اخیرا برای تبدیل انرژی های جذر و مدی و امواج و همچنین انرژی موجود در جریانات رودخانه ای به انرژی مکانیکی و نهایتا تبدیل انرژی مکانیکی حاصله به انرژی الکتریکی توسط ژنراتورها مورد استفاده قرار می گیرند. محور دوران این نوع توربین ها عمود بر راستای حرکت جریان آزاد سیال محرکشان می باشد. عبور جریان بر روی پره توربین، دو نوع نیروی هیدرودینامیکی با نام های درگ و لیفت به وجود می آورد. برآیند نیروهایی که از جریان آب به توربین وارد می شود به دو مولفه نیروی برا، عمود بر مسیر باد، و نیروی پسا، مولفه در طول جهت جریان تقسیم بندی می شود. یکی از این نیروها یا هر دو می توانند نیروی مورد نیاز برای چرخش پره های توربین را تامین نمایند. این توربین ها به دو نوع اصلی ساوینیوس1 و داریوس2 تقسیم بندی می شوند.
ساوینیوس مانند یک چرخ آب با نیروی درگ کار می کند در حالی که داریوس از تیغه هایی مشابه توربین های محور افقی استفاده می کند. در سال 1930 میلادی توربین های محور عمودی داریوس توسط مهندس فرانسوی به نام جورج ژان ماری3 داریوس طراحی گردید. در این توربین ها از نیروی لیفت به جای درگ استفاده می گردید و دو یا سه پره آیرودینامیکی به محور مرکزی متصل می شده است. نمونه اصلی توربین داریوس شامل پرههای نیم دایره-ای با پروفیل مقطع ایرفویل میباشد که به فواصل مساوی به دور محور عمودی آن قرار گرفته و در دو انتها به محور متصل میشوند - شکل-1 راست - . طراحی پروفیل پرهها به گونهای است که سبب کمترین مقاومت در برابر حرکت سیال می شود، و بدین ترتیب بیشترین مقدار انرژی سیال به محور توربین منتقل گردد. دسته دیگر توربین داریوس مدل H شکل آن است که دارای چند پره هیدروفویلی می باشد که توسط شافت به محور اصلی متصل شده است
تاکنون تحقیقات و پژوهش های گسترده ای در مورد توربین های محور عمودی داریوس که قابلیت استفاده هم در جریانات آبی و هم بادی را داراست، صورت پذیرفته است. از جمله این تحقیقات می توان به پژوهش آندرس گود و همکاران اشاره کرد.آن ها در تحقیقات خود اثر افزودن یک کانال بر عملکرد هیدروتوربین را مورد بررسی قرار دادند. این آزمایشات را برای چند کانال با عرض های متفاوت، در چند نسبت سرعت انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که کانال با عرض دو برابر قطر توربین دارای بهترین عملکرد است. آن ها به این نتیجه رسیدند که افزایش 3 درصدی نسبت صلبیت توربین،ضریب گشتاور بیشتری حاصل خواهد شد. یی لی و همکاران به شبیه سازی دو بعدی و سه بعدی توربین محور عمودی و مقایسه آن ها با نتایج آزمایشگاهی پرداختند.آن ها در مطالعات آزمایشگاهی با در نظر گرفتن چند بازو با اندازه و شکل های متفاوت، تاثیر آن ها بر عملکرد هیدرو توربین را در نسبت سرعت های مختلف بررسی کردند. آن ها به بررسی ارتباط بین شعاع توربین و نتایج عددی پرداختند. گزارشات آن ها نشان می دهد، زمانی که ارنفاع توربین کمتر از دو برابر شعاع باشد، اثرات سه بعدی جریان به راحتی قابل صرف نظر کردن نیست . کاستلی و همکاران، در بررسی عددی، توربین داریوس با پره متقارن را شبیه سازی کردند. در شبیه سازی انجام شده توسط آنها برای حل معادلات جریان از مدل دو معادله ای کی-اپسیلون ریلیزبل4 استفاده شده است. آنها در مطالعه خود از حوزه حل بسیار بزرگ و تعداد شبکه بالا استفاده کردند. همچنین مدل هندسی که آنها مورد استفاده قرار دادند تفاوت بسیاری با مدل هندسی این مطالعه دارد.
همانطور که در شکل پیداست، نیروی پسا در جهت مخالف سرعت نسبی و نیروی برا عمود بر سرعت نسبی به پره وارد می شوند. نیروی برا عامل اصلی تولید گشتاور پره ها حول محور مرکزی روتور است در حالی که نیروی پسا در توربین داریوس نیرویی نامطلوب و مانع حرکت توربین می شود.. فاکتور بسیار مهمی که خصوصیات توربینهای محور عمودی بیشتر با آن سنجیده می شود نسبت سرعت مماسی پره به سرعت جریان آزاد آب یا نرخ سرعت نوک پره نام دارد.
فاکتور های زیادی از جمله مشخصات هیدرودینامیکی پره مانند شکل هندسی و زبری سطح که به جنس مواد تشکیل دهنده آن بستگی دارد بر عملکرد توربین های محور عمودی تاثیر گذارند. همچنین شدت آشفتگی جریان آزاد تاثیر بسزایی در بازده توربین دارد. خصوصیات هندسی روتور تاثیر مستقیم بر توان، ارتعاشات، و نویز توربین می گذارد. عدد بدون بعدی که شکل هندسی توربین های محور عمودی بیشتر با آن بیان می شود صلبیت توربین نام دارد و برابر است با:
که در آن N تعداد پره است. گشتاور توربین های محور عمودی نیز از رابطه زیر بدست می آید: - 5 -
در رابطه بالا L و D به ترتیب نیروهای برا و پسا هستند. در این صورت ضریب بدون بعد گشتاور - 6 -
که در آن H ارتفاع روتور توربین است. لازم به ذکر است که نرم افزار فلوئنت مقادیر ضریب گشتاور در هر لحظه و برای هر پره را در اختیار ما قرار می دهد. در معادله بالا چگالی آب و همچنین سطح مقطع جریانی است که از روتور عبور می کند. در حل دو بعدی حاضر، سطح مقطع عبور جریان همان قطر روتور، یعنی 1/8 متر است و ارتفاع توربین یک در نظر گرفته شده است.
به مقطع هر جسمی که در جریان قرار می گیرد، ایرفویل - هیدروفویل - گویند. ایرفویلها مقاطعی هستند که در توربین ها، بال هواپیما و یا در پره های ملخ موتور استفاده می گردند و وظیفه آنها تولید نیروی برآ است. یکی از معروفترین استانداردها مربوط به ایرفویلهایی موسوم به ناکا6 می باشد. ایرفویلهای ناکا سری های مختلفی دارند که در این پژوهش از سری شش رقمی آنها استفاده شده است.یک نمونه پروفیل که در تحقیق حاضر از آن استفاده شده در شکل 3 آمده است.
