مقاله شبیه سازی دو بعدی ناسل توربین بادی و محاسبه ضرایب آیرودینامیکی

بخشی از مقاله

چکیده: در این مقاله، شبیهسازی ناسل - nacelle - توربین بادی 250 کیلووات با هدف به دست آوردن ضرایب آیرودینامیکی انجام شده است. برای شبکه بندی محدوده حل، از شبکه ساختاریافته توسط نرمافزار پوینت وایز استفاده شده است و برای بررسی عملکرد آن، جریان در نرمافزار فلوئنت شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که بیشترین فشار در جلوی ناسل وجود دارد و در پشت ناسل فشار از جلوی ناسل کمتر اما بالاتر از محیط دور دست است.

میزان تفاوت فشار جلو و پشت ناسل باعث به وجود آمدن نیروی درگ خواهد شد و به تدریج با فاصله از ناسل، در پایین دست ناسل فشار کاهش مییابد تا در قسمت انتهایی ناحیه دامنه حل در پشت ناسل، فشار با فشار محیط برابر خواهد شد. از طرفی سرعت اطراف ناسل نشان میدهد که با توجه به رابطه عکس سرعت با فشار، سرعت جلو و پشت صفر است و با فاصله از ناسل سرعت به تدریج افزایش مییابد. در نهایت ضریب درگ محاسبه شده 0/1222771 دست آمده است.

1.    مقدمه

با توجه به بحران محیط زیستی ناشی از آلودگی سوخت های فسیلی و رو به اتمام رفتن این نوع انرژی ها، امروزه بیش از همیشه استفاده از انواع انرژی های پاک و تجدیدپذیر، نظیر انرژی خورشیدی، زمین گرمایی، جزر و مدی و بادی مورد توجه محققان قرار گرفته است. از این روست که در سالهای اخیر موضوع یافتن منابع جایگزین انرژی در میان کارشناسان با جدیت تمام پیگیری می شود. یکی از این منابع انرژی که بیشتر مورد توجه کشور های تولید کننده علم در دنیا قرار گرفته است، انرژی حاصل از جریان باد بوده که بسیار ارزان، دوست دار محیط زیست، در دسترس و همیشگی می باشد.

به قسمتی از توربین بادی که تجهیزات اصلی شامل ژنراتور و گیربکس درآن قرار دارد، ناسلnacelle گفته میشود. این محفظه در بالای برج توربین بادی و در پشت روتور قرار میگیرد. ناسل در برگیرنده جعبه دنده، شافت اصلی ژنراتور، بخش کنترل و ترمز است. در گذشته توربینها با یک سرعت دورانی ثابت کار میکردند اما در مدلهای امروزی، تقرباًی سیستمهای با سرعت ثابت را کنار گذاشته شدهاند. ناسل بخشی از توربین است که قطعاتی را تشکیل میدهد که انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند تا یک ژنراتور برق تولید کند. ناسل ها میتواند به طول بیش از 50 فوت و وزن 300 تن باشند.

پژوهش های زیادی در زمینه مدلسازی توربین های بادی انجام گرفته است که از جمله می توان به پژوهش جعفریار و همکاران[1] اشاره کرد که به بهینه سازی پره های توربین بادی به صورت عددی پرداختند. هاوول و همکاران [2] در مطاله آزمایشگاهی، تاثیر صافی سطح پره و همچنین تعداد پره ها، بر عملکرد نوع دیگری از توربین محور عمودی جریان متقاطع کوچک ، را نشان دادند. در تحقیق دیگری توسط ویلکس [3]، توربینهای افقی با توربینهای محور عمودی از نقطه نظر صدای تولیدی بررسی و با هم مقایسه شده و مشخص شد توربینهای محور عمودی صدای کمتری تولید میکنند.

بعلاوه طبق پژوهش استیون پیس [4] بعلت مزایای توربین محور عمودی نسبت به افقی، آینده انرژی بادی به سمت توربینهای محور عمودی معطوف است و نیز این توربینها قابلیت تولید در مقیاس بزرگتر و مساحت جاروب شده بیشتر، و در نتیجه توان انرژی بیشتری دارند . کاستلی و همکاران [5]، در بررسی عددی، توربین داریوس با پره متقارن را شبیه سازی کردند. در شبه سازی انجام شده توسط آنها برای حل معادلات جریان از مدل دو معادله ای کی-اپسیلون ریلیزبل استفاده شده است. آنها در مطالعه خود از حوزه حل بسیار بزرگ و تعداد شبکه بالا استفاده کردند. با توجه به پژوهش های ارایه شده و اهمیت مدلسازی های عددی از جمله کاهش هزینه ها و افزایش سرعت در مشاهده و تحلیل پدیده های فیزیکی؛ در این مقاله سعی بر این شده است که ناسل در یک توربین بادی مدلسازی شده و ضرایب آیرودینامیکی ان استخراج گردد.

.2 تعریف مسئله

مطالعه حاضر تحلیل جریان آشفته روی یک ناسل است که فرض شده جریان پایدار و تراکم ناپذیر و همچنین سیال هوا و نیوتونی است . هدف ازاین گزارش تعیین نیروهای وارد بر ناسل و توضیع فشار روی سطح ناسل است. بدین منظور سرعت باد ورودی 11,47 متر بر ثانیه و چگالی 1,07 در نظر گرفته میشود. واحد طول متر قرار داده میشود و از انجایی که جریان خارجی و آشفته است مدل توربلانسی k-omega SST را به عنوان مدل آشفتگی انتخاب کرده و پس از اعمال شرایط مرزی و همچنین اعمال اندازه پشت ناسل و عمق آن، میتوان اطلاعات را اجرا نموده و نمودارهای مربوطه را مشاهده کرد سپس از قسمت گزارش نیز میتوان اختلاف شار ورودی و خروجی آن را بدست آورد.

. 3 ملاحظات شبیهسازی

مراحل شبیهسازی به صورت زیر هستند:

·    ایجاد یک مدل مناسب در نرمافزار پوینت وایز

·    تعیین مجدد نرمافزار پوینت وایز جهت ایجاد شبکه

·    تعیین نرم فلوئنت 1به عنوان نرمافزار تحلیل

·    ایجاد هندسه دوبعدی متناسب با مدل اصلی در نرمافزار پوینت وایز

·    در نظر گرفتن فضای دامنه حل

·    ایجاد شبکه

·    تعریف شرایط مرزی

·    استخراج فایل شبکه برای نرمافزار فلوئنت1

·    انجام تنظیمات نرمافزار فلوئنت برای حل

·    انتخاب مدل توربولانسی

·    اجرای نرمافزار فلوئت

·    بررسی نتایج تحلیل

برای تعیین دامنه حل، فاصله موجود در بالادست، پایین دست و همچنین ورودی جریان نسبت به ناسل، 10 برابر طول ناسل و محل مرز خروجی جریان نسبت به پشت ناسل، در فاصله 40 برآر طول ناسل قرار دارد. ولی از آنجایی که سیستم محاسباتی در اختیار نیست ناچارا به علت کاهش محاسبات میبایست اعداد کمتری لحاظ شود.در Error> Reference source not found. محدوده حل را نشان داده شده است.

در Error> Reference source not found. برای شبکه بندی دامنه حل، از شبکه ساختاریافته ایجاد شده توسط نرمافزار پوئینت وایز استفاده شده است. ایننوع شبکه عموماً زمانی استفاده میشود که محاسبه پروفیل سرعت یا تغییرات سرعت اطراف جسم مد نظر باشد و همچنین از آنجایی که تمامی مشهای مستطیلی هم شکل و تقرباًی عمود یا موازی سرعت جریان هستند، در مقایسه با شبکه ساختار نیافته که نسبت به جریان دارای زاویه هستند مناسبتر بهنظر میرسد.

شبکه ساختارنیافته دارای معادلات سینوس و کسینوس در حل عددی هستند و در نتیجه خطای عددی به وجود میآورد. مشها در لایههای مرزی و گوشهها که تغییرات شدید سرعت وجود دارد، دارای ابعاد کوچکی است. با یکنواخت شدن سرعت، ابعاد مشها به تدریج بزرگ میشود واین روند تا مرحلهای ادامه خواهد داشت که طول و عرض مشها تقرباًی دارای نسبت یکسانی شوند، از طرفی پشت ناسل نیز با توجه به گردابه هایی که به وجود میاورد نیاز به مش ریزتری دارد.