مقاله تحلیل عددی جریان در توربین های بادی به روش دینامیک سیالات محاسباتی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تحلیل عددی جریان در توربین های بادی به روش دینامیک سیالات محاسباتی

چکیده
یکی از انواع انرژی های تجدیدپذیر، انرژی باد می باشد. در این مقاله به بررسی اثر سرعت های محوری و شعاعی، فشار و اغتشاش جریان در توربین های بادی پرداخته شده است. از آنجا که پارامتر سرعت بر جریان تولید انرژی در توربین های بادی از اهمیت بسزایی برخوردار است، از این رو اثر سرعت، فشار و اغتشاش جریان بر روی افزایش یا کاهش راندمان توربین های بادی در اولویت قرار دارد. تاثیر سرعت، فشار و اغتشاش در جریان به دلیل محدودیت در انتخاب جنس پره های توربین باد نیز بررسی شده است. مدلسازی انجام شده به کمک نرم افزار گمبیت و آنالیز انجام شده با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (فلوئنت) انجام شده است. همچنین تاثیر سرعت بر روی انرژی جنبشی مغشوش و لزجت مغشوش بررسی شده است.

پس از محاسبه سرعت در پره ها می توان از نتایج بدست آمده برای بهینه سازی و ساخت مدل اولیه به کمک آزمایش در تونل باد استفاده کرد.

واژه های کلیدی
توربین بادی، سرعت محوری، سرعت شعاعی، فشار استاتیکی، انرژی جنبشی مغشوش، لزجت مغشوش.

مقدمه
انرژی باد همانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از نظر جغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده و غیر متمرکز در دسترس می باشد. در زمان های گذشته از توربینهای باد برای تبدیل انرژی باد به کار مفید مکانیکی مانند پمپاژ آب استفاده می کردهاند.

شکل: 1 سیکل تولید برق توسط توربین باد

در توربین های بادی انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. چرخش پرهها باعث چرخش محوراصلی می شود و این محور که به یک ژنراتور برق متصل است،

برق متناوب تولید میکند. باد هوایی است که حرکت دارد و جابه جا می شود. از نسیم ملایم گرفته تا طوفان، باد بر اثر اختلاف فشار هوا بین دو منطقه به وجود می آید. این اختلاف فشار در نتیجه اختلاف دما است. چون فشار هوای سرد نسبت به هوای گرم بیش تر است، در نتیجه هوا از ناحیه پر فشار سرد به ناحیه کم فشار گرم حرکت می کند و باد به وجود می آید. گردش زمین به دور خود نیز بر جهت باد تأثیر می گذارد. سطح زمین مقداری از انرژی گرمایی تابش خورشید را جذب می کند و مقداری را به جو بر می گرداند، هر اندازه پرتوهای خورشید نسبت به سطح زمین عمودتر باشد، میزان جذب انرژی زمین بیشتر خواهد بود. بناب راین مقدا ر انرژی که در منطقه استوایی جذب می شود، نسبت به قطب ها بیش تر است. این انرژی، هوای منطقه استوایی را گرم و سبک و فشار آن را کم می کند. بنابراین هوای گرم و سبک بالا می رود و در سطح زمین منطقه ای کم فشار ایجاد می کند. در مناطق قطبی پرتوهای خورشید نسبت به سطح زمین مایل و میزان جذب انرژی کمتر است، بنابراین هوای این مناطق سرد، متراکم و پر فشار است. از چرخش زمین نیرویی حاصل می شود که اثر کوریولیس نام دارد و جهت حرکت باد را منحرف می کند. بر اثر این نیرو بادهایی که به طرف استوا می وزند، به سمت غرب و بادهایی که به طرف قطب ها می وزند، به سمت شرق منحرف می شوند. پس از بررسی رویکرد جهان نسبت به انرژی های تجدید پذیر و اهداف کشور های جهان در استفاده از این انرژی پاک به بررسی انرژی باد که سهم مهمی از انواع انرژی تجدید پذیر را دارد پرداخته می شود.

در انتهای سالف2010، میزان ظرفیت نامی تولید برق بادی در سراسر جهان برابر 197 گیگاوات بودلامروزه توان بادی در دنیا ظرفیت تولید سالانه 430 تراوات ساعت انرژی الکتریکی را دارد که این میزان، 2 5 مصرف برق دنیاست ل در 5 سال گذشته، رشد متوسط سالانه

در توان بادی دنیا 27 6 بوده و انتظار می رود که سهم باد در تولید انرژی الکتریکی دنیا تا سال 2013 به 3 35 و تا سال 2018 به 8 برسدل انرژی موجود در باد را میتوان با عبور آن از داخل پرههای و سپس انتقال گشتاور پرهها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان توان تبدیلی با تراکم باد، مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد. به این ترتیب میزان توان قابل ×تبدیل در باد را میتوان به این ترتیب به دست آورد.

دستاوردهای گذشته 2012 در دانشگاه شانگهای توسط آقای در این خصوص در سال موشفقی تاثیر جریان بر روی دیواره دامنه محاسباتی در توربین های بادی با محور افقی مورد بررسی قرار گرفته است .
در این روش پیش بینی نقطه جدایش جزو اهداف اصلی این تحقیق بوده است. این تحقیق به روش SST-K انجام گرفته است. در این تحقیق پروفیل مورد استفاده s809 است. این تحقیق در سرعت های مختلف در بازه 4.5 تا 15.2 متر بر ثانیه انجام گرفته است. یکی از عواملی که در روش BEM نادیده گرفته شده است طول جریان می باشد که این عامل با تغییر در زاویه حمله ایجاد می شود. در قسمت داخلی و حتی اواسط بخشی از پره این پدیده به مقدار بسیاری قابل مشاهده است ولی در قسمت بیرونی پره که عمدتا " بسیار کوجک هم می باشد این پدیده به حداقل می رسد. در قسمت بیرونی پره در سرعت های بالا به عنوان افزایش دهنده سرعت پره ها مطرح می شود.
این منطقه از پره ها متاثر از پدیده جدایش و واماندگی برای کلیه توربین های بادی محور افقی صادق است.در دیگر تحقیق انجام شده در سال 2012 در دانشگاه کایرو مصر آقای محمد سید آنالیز آیرودینامیکی پره های توربین بادی را تحت روش حجم محدود انجام داده اند. در این تحقیق 21 نوع ایرفویل مختلف مورد بررسی قرار گرفته است که رفتار این ایرفویل ها در زاویه حمله های مختلف در سرعت های گوناگون استخراج شده است.

نتایج مهم مورد بررسی در این تحقیق نیروهای برآ و پسآی حاصل از جریان می باشد. در این تحقیق مشخص شده که ایر فویل های متقارن زاویه حمله های مثبت با بیشترین ضخامت در بازه %40-50 وتر اتفاق می افتد..

شرایط حاکم بر مسئله
سیال ورودی در مدل، هوا در نظر گرفته شده است. سرعت جریان سیال در محدوده 10 تا 30 متر بر ثانیه بررسی شده است. جنس پره ها نیز فایبر گلاس فرض شده است. بر روی دیواره های جامد، شرط مرزی دیوار اعمال شده است. چون سیال نمیتواند از دیوار عبور کند مؤلفه عمودی سرعت در امتداد وجهی که شرط مرزی دیوار در آن منظور شده است، نسبت به دیوار صفر است. به علاوه، به دلیل شرط عدم لغزش، معمولاً مؤلفه مماسی سرعت در دیواره ساکن نیز صفر در نظر گرفته می شود. در ورودی جریان، شرط مرزی با سرعت ورودی مشخص، سرعت جریان ورودی در امتداد وجه ورودی مشخص می شود. در ورودی سرعت، مشخص کردن فشار نیازی نیست، به این دلیل که جفت بودن فشار و سرعت در معادلات حرکت به انجام محاسبات پیچیده ای منجر می شود. همچنین، فشار در ورودی سرعت، خود را برای انطباق با ادامه جریان تنظیم میکند.
همچنین، در یک ورودی یا خروجی فشار، به مشخص کردن سرعت نیازی نیست، چرا که این موضوع نیز به انجام محاسبات پیچیده ای منجر می شود. در خروجی، شبیه سازی شرط مرزی جریان خروجی است. در این شرط مرزی هیچ یک از خواص جریانی مشخص نمی شوند، اما گرادیانهای خواص جریان در راستای عمود بر وجه خروجی مانند سرعت برابر با صفر قرار داده می شود.

معادلات حاکم
در حالت کلی قانون بقا حاکم بر جریان سیالات آشفته شامل قانون بقای جرم و ممنتوم به صورت زیر بیان می شود[9]،

که در آن تانسور تنش رینولدز شناخته می شود و نامگذاری آن به این دلیل است که مشابه با تانسور تنش لزج عمل میکند. در مختصات کارتزین ، به صورت زیر است،

که بالانویس، نشان دهنده متوسط زمانی حاصلضرب دو مؤلفه سرعت نوسانی و پریمها بیانگر مؤلفههای سرعت نوسانی هستند. چون تنش رینولدز متقارن است، شش مجهول اضافی در مسأله به وجود آمدهاند. این مجهولهای جدید با روشهای مختلفی توسط مدلهای اغتشاشی، مدل می شوند. سه مورد از متداولترین مدلهای اغتشاش مدل k   و k  هستند. این مدلهای اغتشاش، دو معادله انتقال را اضافه میکنند که باید به طور همزمان با معادلات جرم و مومنتوم خطی حل شوند. همراه با دو معادله انتقال اضافی که در هنگام استفاده از یک مدل اغتشاشی دو معادلهای باید حل شوند، برای خواص اغتشاشی در ورودیها و خروجیها دو شرط مرزی اضافی هم باید مشخص شوند. در این شبیه سازی از مدل اغتشاشی k  برای مدل سازی اغتشاش استفاده شده است.

انتخاب پروفیل

با توجه به خصوصیات آیرودینامیکی ارایه شده، مقاطع 5 رقمی ناسا از همه مناسب تر می باشد زیرا مقاطع گروه ناسا 6 بدلایل ارایه شده مهجور و کهنه می باشند، همچنین مقاطع گروه ناسا 7 نیز بیشتر برای هواپیماها و وسایل پروازی کاربرد دارند تا مقاصدی مانند استفاده در تیغه های توربین باد، زیرا این مقاطع دارای ضریب آیرودینامیکی بالا از جمله ضریب برآ و ضریب پسای بسیار ناچیزی در سرعت ها بالا می باشند. لذا استفاده از چنین مقاطعی در توربین های بادی که دارای سرعت چرخشی ناچیز و ساختمان خاص خود هستند مناسب نیست. حال می توان از بین مقاطع پنج رقمی ناسا به مقطع ناسا 23015 اشاره کرد زیرا با توجه به شرایط کار و همچنین شرایط محیطی نسبت به گروه های دیگر خود از خصوصیات آیرودینامیکی مناسبی برخوردار است، لذا از آن به عنوان پروفیل مورد نظر در توربین بادی می توان استفاده نمود. همان طور که در شکل (1) مشاهده می شود در این شبیه سازی از المان های چهار وجهی و مش بندی بی سازمان استفاده شده است. مش بندی به نحوی انجام شده که در نواحی دارای گرادیان بالا و نواحی مهم جریان یعنی نزدیک دیواره ها تراکم بالای مش داشته باشد و با دور شدن از این نواحی تراکم مش ها نیز کمتر می شود و نیز به دلیل شرایط تقارن پره های توربین بادی و پیچش بیش از حد مش ها سعی شده است که ضریب کجی شبکه مورد نظر در بهترین حالت خود باشد.

لازم به تأکید است که صرفنظر از نوع شبکه انتخابی (با سازمان یا بی سازمان، چهار ضلعی یا مثلثی و غیره) این کیفیت شبکه انتخابی است که از اهمیت ویژهای برخوردار است، به ویژه باید مواظب بود که سلولهای منفرد زیاد اُریب نباشند، چون این موضوع به دشواریهای همگرایی و بیدقتیهایی در حل عددی منجر می شود. برای سلولهای دو و سه بعدی، انواع مختلفی از انحراف و کجی وجود دارند. نوعی از انحراف و اریبی که برای سلولهای دو بعدی مناسبتر است انحراف هم زاویه است که به صورت زیر تعریف می شود[9]،

که min و max زاویای حداقل و حداکثر (برحسب درجه) بین دو لبه سلول و equal زاویه بین هر دو لبه یک سلول متساویالاضلاع

با تعداد لبههای یکسان هستند. برای سلولهای مثلثی equal  60 و برای سلولهای چهار ضلعیequal  90 است.

به منظور دست یافتن به شبکه بهینه باید فضای محاسباتی به چند استوانه کوچکتر تقسیم شود تا توزیع و رشد سلول ها به نحو بهتر انجام شود. در شکل ( (2 نمای کامل مش های چهار وجهی را مشاهده می کنید. لازم به ذکر است که در ناحیه پائین دست با دور شدن از پروانه بر اندازه سلول ها افزوده می شود. با بررسی ضرایب برا و پسا تعداد مش مسئله به صورت بهینه به تعداد 1300000مش چهار وجهی انتخاب می شود. ابتدا برای بررسی پره در بهترین فشار ممکن باید پره در سرعت های مختلف بررسی شود. سرعت های بین 10 تا 30 متر بر ثانیه برای این توربین بسیار بازه مناسبی است. کلیه محاسبات آیرودینامیکی در نرم افزار فلوئنت وطرح اصلی پره ها به کمک نرم افزار گمبیت بررسی می شود.

با استفاده از شکل 3 که انرژی جنبشی مغشوش بر حسب سرعت رسم شده است می توان بهترین سرعت ممکن را مشخص کرد. البته به دلیل تغییرات سرعت در محل نصب این توربین ها تنها ما می توانیم بهینه ترین سرعت را تعیین و به کمک نقشه های امکان سنجی بادهای هر منطقه توربینی با توجه به شرایط هر منطقه طراحی کنیم.