بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهم ترین معیارهایی که در طراحی توربینهاي بادي محور افقی مورد ارزیابی قرار می گیرد، افزایش ضریب توان و میزان انرژي سالیانه تولیدي می باشد. براي افزایش ضریب توان و افزایش میزان تولید انرژي از جریان باد، علاوه بر طراحی آیرودینامیکی مقطع توربین باد، اثرات سه بعدي بال، اثر توربینهاي نصب شده روي یکدیگر، شدت آشفتگی جریان، پارامترهاي هندسی مجموعه توربین بادي و عوامل مختلف بسیاري موثر است.
در این مقاله مطالعه شبیه سازي عددي بر روي توربین بادي 660 کیلواتی انجام شده است و اثرات اغتشاشات شدید جریان چرخشی باد اطراف پره ها و همچنین اثر جریان خارجی اتمسفر روي عملکرد توربین،با انتخاب مدل هاي مناسب براي مدلسازي جریان خارجی آشفته و گردابی - wake - اطراف صورت گرفته است.
در این پژوهش از بین مدلهاي آشفتگی دومعادله اي ،مدلهاي RNGk‐ε، Realizable k‐ε، Standard k‐ω، و مدلهاي آشفتگی مبتنی بر شبیه سازي گردابه هاي بزرگ - Large Eddy LES - Simulationبراي مطالعه توربینهاي بادي در حالت جریان ناپایدار مورد استفاده قرار گرفته است، وبا استفاده از از داده هاي ثبت شده از یک توربین بادي 660 کیلوواتی - نصب شده در بینالود خراسان - به تحلیل مدل توربولانس LES - شبیه سازي گردابه هاي بزرگ - در برآورد ضریب توان ومحاسبه گشتاور تولیدي پرداخته شده است و نتایج بدست آمده با نتایج سایر مدلهاي آشفتگی مقایسه شده است.
مقدمه
توربین هاي بادي روز به روز بیشتر مورد استفاده قرارمی گیرند و افزایش انرژي تولید شده توسط این توربین ها حتی به مقدار کم نیز مورد توجه قرارگرفته است بهبود عملکردهاي آیرودینامیکی این توربین ها درجریان بادي که درآن قرار گرفته اند نیازمند شناخت پارامترهاي جریان باد و تاثیر وجود توربین ها در مسیراین جریان است. امروزه توربین ها درمقیاسهاي وسیع درمزارع باد نصب می شوند که نتیجه آن تاثیر پذیري توربین ها از یکدیگر است استفاده از شبیه سازي عددي به روش دینامیک محاسباتی سیالات - CFD - به منظور پیش بینی عملکرد توربین هاي بادي و تعیین نقاط ضعف و قوت طراحی انجام شده، در دو دهه اخیر گسترش بسیاري در سطح جهان یافته است. به دلیل پیچیدگی جریان در اطراف ماشین هاي دوار مانند توربین هاي بادي، شبیه سازي جریان حول آنها دشوار می باشد که مهمترین علت آن را می توان در آشفتگی - Turbulence - جریان سیال و غیر قابل پیش بینی بودن آن دانست.
به منظور تحلیل دقیق تر جریان هاي آشفته و پیش بینی اثرات اغتشاش، مدل هاي مختلف آشفتگی مانند k‐ε، k‐ω، Spalart_Allmaras ، ,RSM ...پیشنهاد شده که در هر یک با بهره گیري از چند معادله در کنار معادلات ناویه استوکس به تحلیل دقیق تر جریان آشفته می پردازد. از آنجایی که هر یک از این مدل ها بر اساس پارامتر هاي فیزیکی معینی توسعه یافته، استفاده از هر یک در صنعتی مشخص و بسته به کاربرد و فیزیک شرایط از دقت بالاتري در قیاس با سایر مدل ها برخوردار است.
مدلسازي توربین ها درجریان باد درمقیاسهاي بزرگ امروزه یکی از بحثهاي مورد توجه است برخی از مدل هاي آشفتگی به دلیل آیرودینامیک پیچیده توربین بادي، سرعت چرخش و اعداد رینولدز بالاي شرایط کارکرد، وقوع پدیده جدایش جریان در زوایایی معین از چرخش پره هاي توربین توانایی شبیه سازي دقیق جریان حول توربین هاي بادي را نداشته و از دقت کافی برخوردار نمی باشد.. دراین مقاله به مدلسازي میدان جریان با استفاده ازروش شبیه سازي گردابه هاي بزرگ - LES - در برآورد ضریب توان ومحاسبه گشتاور تولیدي توربین بادي پرداخته می شود.
-1 مدلسازي جریان مغشوش در توربین بادي
در این مقاله بنا به اهمیت مدلهاي آشفتگی گردابه هاي بزرگ ،تحلیلی بر روابط حاکم برمدل LES در مقایسه با سایر روشها انجام شده وتوضیحات سایر مدلها در مرجع 2] و 3 و .[4آورده شده است.
مدل LES
این مدل مقیاس هاي مربوطه به جریان هاي متلاطم را به دو جزء مقیاس بزرگ و مقیاس کوچک - زیر شبکه - تقسیم میکند. فرض می شود که این تقسیم، اثر قابل توجهی بر تغییر شکل حرکت متلاطم مقیاس بزرگ ندارد.
عموماً حرکت هاي مقیاس بزرگ بسیار پر انرژي تر از حرکت هاي مقیاس کوچک بوده و سهم اصلی را در انتقال مومنتم دارد.
مدل LES تلاش می کند تا این حرکت هاي مقیاس بزرگ را دقیق تر از حرکت هاي مقیاس کوچک شبیه سازي کند . اعتقاد بر این است که مقیاس هاي کوچک تلاطم داراي مشخصه-هاي عمومی تري از مقیاس هاي بزرگ هستند که مدل سازي آنها را ساده می کند. بنابراین در مدل LES حرکت هاي مقیاس بزرگ دقیق تر حل می شود و حرکت هاي مقیاس کوچک - عدد موجی بالا - به جاي حل شدن، مدلسازي می شود. مدل هاي LES نیز سه بعدي و وابسته به زمان هستند اما بسیار کم هزینه تر - و انعطاف پذیر تر - از مدل DNS می باشند.
در سالهاي اخیر، در ارتباط با مدلسازي ناحیه گردابی پشت توربین بادي، به مدل LES توجه زیادي شده است. زیرا این مدل توانایی کار کردن در شرایط ناپایا و جریانهاي آشفته غیر همسانگرد که تحت تأثیر ساختارهاي با مقیاس بزرگ هستند را دارد. این مزیت بسیار مهمی نسبت به روش RANS میباشد. اما اشکال این روش، هزینه محاسباتی بالاتر نسبت به روش RANS میباشد.
در مدل LES،گردابههاي بزرگ جریان محاسبه میشوند، در حالیکه گردابه هایی که کوچکتر از اندازه شبکه باشند، با مدل زیر شبکه مدل میشوند. این عمل بر پایه این فرض استوار است که گردابههاي کوچک جریان، خصوصیاتی بیشتر یا کمتري دارند که به هندسه جریان بستگی ندارد.
در مدل RANS، هزینه محاسبات وابستگی کمی به Re دارد، در حالیکه در مدل LES، هزینه محاسبات وابستگی زیادي با مربع عددرینولدز - - Re2 دارد. در مجاورت مرزهاي جامد که لایه مرزي تشکیل میشود، مدل LES بینهایت هزینهبر میباشد؛ زیرا این مدل مستلزم ایجاد شبکه بسیار ریز در سه جهت است در شرایطی که در مدل RANS، ریز بودن شبکه تنها در جهت عمود بر مرز کافی است.
-2مدلسازي فیزیکی وشبکه بندي آن
براي شبیه سازي روتورتوربین بادي 660 کیلواتی، مطابق مدارك فنی کارخانه سازنده پروفیلهاي پره در چندین مقاطع مختلف را بهم وصل نموده و هندسه پره توربین بادي تولید شده است. سپس اتصالات سه پره در زوایاي 120 درجه بر روي دماغه توربین انجام شده است. شکل - 1 - پره مدل شده در نرمافزار SolidWorks را نشان می دهد.
