بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل جریان آشفته، ایجاد و استفاده از یک مدل براي پیشبینی اثرات آشفتگی بوده و یکی از مهمترین مسائل مهندسی است که تاکنون مهندسان را به چالش جدي مواجه کرده و نیاز به هزینه و زمان محاسباتی زیادي دارد. بنابراین هدف این مقاله، تحلیل عددي جریان آشفته حول ایرفویل NACA 4412، در دو حالت - زوایاي حمله 0 و 2 درجه - ، با استفاده از مدلهاي آشفتگی اسپالارت-آلماراس و SST k-ω و مقایسه نتایج آنها با نتایج تونل باد میباشد. نتایج بدست آمده از تحلیل عددي، کمترین خطا را در محاسبه ضرایب آیرودینامیکی روي سطح ایرفویل NACA 4412، نسبت به نتایج تونل باد دارند و همچنین میتوانند به درك بهتر آیرودینامیک توربینهاي بادي کمک شایانی کنند.
.1 مقدمه
پیشبینی ضرایب آیرودینامیکی، در مورد پره توربین بادي بسیار حائز اهمیت است و از آنجا که براي طراحی آنها، نیاز به اطلاع دقیق از مقادیر ضرایب لیفت و درگ وجود دارد، مطالعات بسیاري در این زمینه صورت گرفته است که اکثر این مطالعات، بر پایهي روش-هاي تجربی بوده و کمتر از روشهاي عددي استفاده شده است. در این مقاله باتوجه به اینکه کارهاي تجربی، بسیار پرهزینه و داراي محدودیت هستند و همچنین به دلیل مزیتهاي روشهاي تحلیلی از جمله: هزینه کم، سرعت بالا، توانایی شبیهسازي واقعی و ایده-آل، از روش عددي استفاده شده است. بررسی آیرودینامیکی ایرفویل NACA 4412، به روش دینامیک سیالات محاسباتی و با مدلهاي آشفتگی اسپالارت-آلماراس و SST k-ω، در نرم افزار تحلیل جریان انسیس فلوئنت هدف اصلی این مقاله میباشد.
توربینهاي بادي، به عنوان مهمترین و پرکاربردترین وسیله براي تسخیر و استفاده از انرژي باد جهت تولید انرژي الکتریکی مطرح هستند. یک توربین بادي، وسیلهایی است که انرژي جنبشی جریان باد را به انرژي دورانی محور روتور تبدیل میکند. این توربینها از نظر شکل ظاهري به دو دسته محور افقی و محور عمودي تقسیم میشوند.
-1-1 توربینهاي بادي محور عمودي : - VAWT - توربینهاي بادي محور عمودي از دو بخش اصلی تشکیل شدهاند. یک میله اصلی که رو به باد قرار میگیرد و میلههاي عمودي دیگري که عمود بر جهت باد، کار گذاشته میشوند. ساخت این نوع توربینها بسیار ساده است، ولی بازده پایینی دارند. این توربینها به شکلهاي مختلفی ساخته میشوند، که دو نوع عمده آنها، داریوس و ساوونیوس هستند. مشکلات اصلی این نوع توربینها کم بودن گشتاور شروع به کار، نیروي لیفت پرهها و ساختار غیریکپارچه آنهاست.
-2- 1 توربینهاي بادي محور افقی : - HAWT - به دستهاي از توربینها گویند که محور دوران آنها بصورت افقی قرار دارد. اولین نمونه آن در آمریکا در سال 1931 میلادي توسط چارلز براش، در کلیولند آمریکا جهت استفاده تجاري براي تولید برق اختراع شد.[2] ویژگی روتورهاي توربینهاي بادي محور افقی جدید بسیار شبیه ملخ هواپیماست و ناسل آنها، محلی براي گیربکس و ژنراتور میباشد و داراي راندمان بسیار بالایی هستند و نیز در همه سرعتها، حتی سرعتهاي پایین هم توانایی تولید برق را دارند. عموما از این نوع توربینها براي دریافت انرژي از باد در مناطق بادخیز و نیروگاههاي بادي بزرگ استفاده میشود و بخش عمده تاریخ معاصر فناوري انرژي باد را به خود اختصاص میدهند.
.2 بررسی نیروهاي آیرودینامیکی
مجموع نیروهاي عمودي و نیروهاي مماسی چسبناك، به دو مولفه در طول محور موازي و عمود بر آن تقسیم میشوند. این دو مولفه تحت عنوان نیروي لیفت - نیروي برآ - و درگ - نیروي پسا - میباشند.
-1- 2 نیروي لیفت - نیروي برآ - : مولفه نیرویی است که به سمت بالا، عمود بر سرعت جریان منظم آزاد مختل نشده وارد می-شود. نیروي لیفت در ایرفویل به طول L، بصورت رابطه - 1 - قابل محاسبه میباشد:
-2-2 نیروي درگ - نیروي پسا - : نیروي آیرودینامیکی خالصی است که در همان راستاي سرعت جریان منظم آزاد وارد میشود. درگ آیرودینامیکی بوسیله نیروهاي فشاري و اصطکاك که برسطح وارد میشوند، تولید میگردد. این نیرو بصورت رابطه - 2 - محاسبه میشود:
که در رابطه - 1 - و - 2 - ، Cd، Cl ضرایب لیفت و درگ هستند که با هندسه ایرفویل در ارتباط میباشند و همچنین ρ وزن مخصوص سیال، V سرعت سیال و L طول ایرفویل میباشند. همانگونه که از روابط بالا مشخص است با افزایش یا کاهش سطح مقطع پره، نیروهاي لیفت - برآ - و درگ - پسا - افزایش یا کاهش مییابند.
نیروي لیفت در توربینهاي بادي، عامل چرخش پره میباشد و تولید قدرت میکند. نیروي درگ یک نیروي مزاحم است و سبب از بین رفتن پره میشود و نیز عمود بر سطح دایره گردش پرهها است و به وسیله پرههاي نگهدارنده توربین خنثی میشود. ما به دنبال پرههایی هستیم که در آنها نسبت نیروي لیفت به نیروي درگ، ماکزیمم باشد.[3] این نیروها باتوجه به شکل هندسی سطح مقطع پره و زاویه حمله - α - که باد در آن زاویه به پره برخورد میکند، محاسبه میشوند.
مشخصات آیرودینامیکی روتور به شدت به شکل ایرفویلها بستگی دارد. هدف و کارآیی آنها ایجاد ناحیه کم فشار بر روي پره است تا پره، نیروي برآ تولید کند، همچنین نیروي پسا نیز ناخواسته تولید میشود.[4] هدف از طراحی آیرودینامیک ایرفویل، تعیین هندسهي پره جهت تولید توان مطلوب در یک سرعت مشخص باد است.[5]
.3 آیرودینامیک توربینهاي بادي
موضوع علم آیرودینامیک، حرکت هوا و سایر سیالات گازي و نیروهاي وارده بر اجسامی است که در هوا حرکت میکنند. در جریان ساخت توربینهاي بادي همواره کوشش میشد تا قوانین آیرودینامیک - حاکم بر تبدیل انرژي بادي - دقیقا شناسایی و تفسیر شده و از این قوانین براي طراحی موفق سیستمها استفاده گردد. در این راستا بیشترین تلاشها در صنعت هوافضا صورت گرفته بود. از آن دسته از نظریههاي آیرودینامیک که براي هواپیما و بالگردها طراحی شده بودند، براي تعیین نحوه عملکرد توربینهاي بادي نیز استفاده شده است. امروزه از نظریههاي مختلفی در آیرودینامیک توربین بادي استفاده میشود. در ارائه این نظریهها از روشهاي تجربی بکار برده میشود.
.4 نظریههاي آیرودینامیک
براي تحلیل آیرودینامیک عملکرد توربینهاي بادي از نظریههاي مختلفی استفاده میشود. این نظریهها تصویر روشنی را از عملکرد روتور در شرایط مختلف ارائه میکنند:
-1- 4 نظریه تکانه محوري : - Axial Momentum Theory - تمامی تحلیلهاي انجام شده بر روي توربینهاي بادي محور افقی مبتنی بر مفهوم نظریه تکانه محوري هستند. این مفهوم نخستین بار از سوي رانکین ارائه شد و فردوس نیز آن را در علوم دریایی بکار برد . این تحلیل در شرایط ایدهآل جریان هوا انجام میشود. در چنین شرایطی، جریان هوا منظم و یکنواخت است. روتور از تعدادي تیغه ساخته شده است. فشار وارده بر بخشهاي جلو و عقب روتور برابر با فشار جو است و از نیروي پسا در سطح تیغهها صرف نظر میشود.
-2-4 نظریه المان تیغه : - Blade Element Theory - این نظریه نخستین بار از سوي فرود و تیلور مطرح شد. در این نظریه چنین فرض میشود که تیغهها از تعدادي نوار حلقهاي تشکیل شدهاند که ضخامت این حلقه بسیار کم است. این حلقه از نظر آیرودینامیک مستقل هستند و هیچ تماسی میان آنها وجود ندارد. در این تحلیل، نیروهاي برآ و پسا در سطح تیغهها محاسبه میگردد و از این طریق گشتاور و توان حلقهها محاسبه میشود. این نظریه به ما امکان میدهد تا به تصویري روشن از رابطه میان لایههاي هوا، نیروي رانشی وارد شده بر روتور و توان روتور دست یابیم.
-3-4 نظریه نواري : - Strip Theory - نظریه نواري ترکیبی از نظریه تکانه محوري و نظریه المان تیغهاي میباشد. این نظریه میتواند بینشی عمیقتر درباره پارامترهاي طراحی توربین بادي را در اختیار ما قرار دهد
.5 مرکز آیرودینامیکی ایرفویل - - - Aerodynamic Center - ac
مرکز آیرودینامیکی ایرفویل، نقطهاي میباشد که گشتاور حاصل از نیروهاي آیرودینامیکی مستقل از تغییرات زاویه حمله ایرفویل می-باشد. این نقطه از این جهت اهمیت زیادي دارد. در واقع ما برآیند نیروهاي گسترده آیرودینامیکی را به این نقطه منتقل کرده و متناسب با این جا به جایی نیرو، گشتاوري را با نام M درنظر میگیریم، که در شکل - 1 - مشخص است:
شکل -1 نمایش مرکز آیرودینامیکی ایرفویل
مرکز آیرودینامیکی ایرفویل، حدودا در فاصله C/4 طول وتر ایرفویل از لبه حمله ایرفویل قرار دارد. اثر خالص نیروهاي فشاري، را میتوان بصورت نیروي R و گشتاور M نشان داد. نیروي R، را میتوان به دو مولفه در راستاي جریان - نیروي درگ - D و نیروي عمود بر جریان - نیروي لیفت - L تبدیل کرد.
اولین نقطه تماس ایرفویل با جریان را در نوك ایرفویل، لبه حمله و آخرین نقطه تماس جریان با ایرفویل را لبه فرار گویند. فاصله بین لبه حمله تا لبه فرار را وتر یا کورد ایرفویل مینامند و با C نمایش میدهند. زاویه بین خطوط جریان و امتداد وتر را زاویه حمله نامیده و با α نمایش میدهند
شکل -2 برش عرضی از یک ایرفویل
