بخشی از مقاله
خلاصه
به دلیل رشد روز افزون مصرف الکتریسیته نیاز به بهره برداری هر چه بیشتر از منابع تجدید پذیرمانند انرژی باد، خورشید، زمین گرمایی و... بیشتر حس می شود. بهرهبرداری از منابع بادی به سرعت در جهان رو به افزایش بوده که مبنی بر صرفه اقتصادی و کارایی توربین های بادی میباشد. توربین های بادی به دو دسته " محور عمودی" و "محورافقی" تقسیم شده که دسته دوم به دلیل قدرت بیشتر بسیار رایج است. به وضوح این توربینها نمی توانند تمامی انرژی باد را دریافت کنند از این رو طراحی توربینهای با بازده بالا بسیار مهم است.
هزینه بربودن بررسی وتست در تونل باد با توجه به ابعاد و اندازه، نیاز به انجام اصلاحات و بالا بودن زمان ساخت، روش های دینامیک سیالات محاسباتی با دقت مناسب، سرعت بالا، هزینه پایین مورد توجه بیشتری قرار می گیرد. در این پژوهش از روش عددی برای شبیهسازی جریان حول توربین باد توان پایین استفاده شدهاست. شبکه مورد استفاده برای این شبیهسازی به صورت ترکیبی بوده بدین صورت که در اطراف پره از شبکه باسازمان و در فواصل دور از آن از شبکه بیسازمان استفاده شدهاست.
برای کاستن از هزینه محاسباتی و بالا بردن سرعت از روش دستگاه مختصات دورانی به صورت نیمی از حجم کنترل با شرط مرزی پریودیک استفاده و شرایط پایا در نظر گرفته شدهاست. به منظور مدلسازی جریان آشفته از مدل k- -sst استفاده شدهاست. به منظور صحت سنجی مدل توسعهیافته، نتایج حاصل با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شدهاست. در نهایت شبیه سازی در دو سرعت 7و10 متر بر ثانیه انجام شده و میزان گشتاور حاصل از شبیهسازی با دادههای تونل باد مقایسه شدهاند.
.1 مقدمه
افزایش بحران انرژی و رو به پایان بودن منابع فسیلی و مضرات استفاده از آن نیاز به منابع پاک و تجدیدپذیر محسوس میکند. از جمله این انرژیها انرژی باد بوده که توسط توربینهای بادی استخراج شده و بهرهوری آن در جهان به شدت رو به افزایش است. از این رو با شناسایی و بهره برداری صحیح از پتانسیلهای کشور در این زمینه می توان با صرفه اقتصادی مناسب تولید انرژی نمود. در همین راستا طراحی و ساخت توربین های واحد با تولید انرژی بالا و بازدهی بالا اهمیت حیاتی دارد
افزایش قدرت توربین بادی با افزایش ابعاد آن همراه بوده و آزمایش و بهینه سازی آن در تونل باد را با صرف هزینه و زمان بالا روبه رو می سازد.[2] به همین دلیل به کارگیری روش دینامیک سیالات محاسباتی اهمیت پیدا میکند. از روشهای ابتدایی برای شبیه سازی توربین باد میتوان به روش المان پره اشاره کرد که در این روش توربین باد به صورت یک دیسک در نظر گرفته میشود واز اشکالهای اساسی آن میتوان نبودن اثرات آشفتگی و در نظر نگرفتن افت انتهای پره اشاره کرد از کارهای قابل توجه صورت گرفته در این زمینه میتوان به تحقیقات وود و همکارانش اشاره کرد.[3] به صورت کلی روش های پیشنهادی توسط کرسپو و همکارانش برای مدل سازی دنباله توربینهای بادی استفاده می شود که بر پایه روش k- میباشد.
گروهی از محققان ازقبیل منتر، لنگتری و ولکر با حل معادلات RANS به روش دینامیک سیالات محاسباتی روش دینامیک سیالات محاسباتی اثر جریان در حالت گذار و جریان کاملا آشفته را بررسی کرده و تفاوت قابل توجه آنها در واماندگی توربین را بررسی کردند، آنها با انجام شبیه سازی توانستند محل جدایش جریان بر روی سطح رو به باد پره و گشتاور تولیدی را پیش بینی کنند.
هند و سیمس در سال 2001 درتونل باد NASA و با همکاری NREL توربین بادی آزمایش به نام NREL phase vi را مورد بررسی قرار داده که نتایج آزمایش به صورت عمومی در دسترس میباشد. این آزمایشها در سرعتهای ورودی مختلف صورت گرفت که در هر بخش توان خروجی توربین و گشتاور پرهها ثبت شده و در نهایت با اضافه کردن کپسول دودزا به داخل پره دنباله جریان را آشکار سازی کردند.
هدف این تحقیق تخمین گشتاور توربین بوده که مستقیما در توان خروجی آن اثر گذار است. در این تحقیق از توربین باد مرجع - 6 - برای مدل سازی استفاده شدهاست. این شبیهسازی با به کار گیری روش مختصات دورانی برای اعمال اثر چرخش پرهها و با در نظر گرفتن نیمی از حجم کنترل صورت گرفته که سبب افزایش سرعت محاسبات شده ودقت آن نیز با بهبود شبکه بالا می رود.
.2 معادلات حاکم بر جریان سیال
معادلات حاکم بر جریان ناپایای سیال تراکمناپذیر در مسئله موردنظر شامل معادلات پیوستگی، بقای اندازه حرکت خطی میباشد. این معادلات در فرم بی بعد و برداری به صورت زیر می باشند:
.3 معادلات آشفتگی
مدل آشفتگی k–ω-SST یک مدل دو معادلهای لزجت گردابی بوده که بسیار متداول است. ویژگیهای مدل k–ω در بخش درونی لایه مرزی باعث میشود که این مدل در تمام ناحیه زیر لایه لزج نزدیک دیواره عملکرد بسیار مناسبی داشته باشد و مدل k–ω-SST میتواند به عنوان یک مدل آشفتگی رینولدز پایین بدون هیچ گونه تابع میرایی اضافی مورد استفاده قرار گیرد. این مدل در جریان آزاد رفتاری شبیه به مدل k–ε داشته ولی مشکلات این روش را به خواصآَشفتگی جریان آزاد ورودی ندارد. مبنای آن حل معادلات انرژی جنبشی آشفتگی k و فرکانس آشفتگی،ω، است.
.4 معادلات حاکم در دستگاه مختصات دورانی
برای مدلسازی چرخش توربین باد نیاز به استفاده از دستگاه مختصات دورانی میباشد. بدین منظوریک دستگاه
در نظر گرفته می شود. این دستگاه نسبت به یک دستگاه مختصات ثابت دارای فاصله مختصات باسرعت زاویه ای ثابت بوده و محور چرخش آن حول بردار یکه ̂ - مطابق شکل - 1 در نظر گرفته می شود:
شکل - 1 دستگاه مختصات دورانی
حجم کنترل مسئله به نسبت دستگاه مختصات دوار طوری تعریف شده که یک نقطه فرضی در حجم کنترل با بردار مکان از مرکز دستگاه مشخص می شود. مولفههای سرعت جریان از دستگاه ثابت به متحرک توسط رابطه زیر تبدیل میشوند به طوریکه سرعت از دید ناظر در دستگاه متحرک و سرعت از دید ناظر در دستگاه ثابت میباشد. با این فرض، معادلات پیوستگی و اندازه حرکت به صورت زیر اصلاح خواهند شد:
.5 هندسه مدل و شبکه محاسباتی
توربین مورد نظر دارای دوپره بوده که هرکدام دارای طول 5/029 متر - مطابق شکل - 2 میباشد. برای ساده سازی از اثر برج و محفظه ژنراتور صرف نظر شدهاست. شبکه استفاده شده از نوع ترکیبی بوده که ساختار آن در شکل 3 و حجم کنترل مسئله به صورت نیمه استوانه درنظر گرفته شده که در شکل4 نشان داده شده است.
