بخشی از مقاله
چکیده
شکل هندسی و عملکرد آیرودینامیکی بالههای توربینهای بادی نقش مهمی در ضریب توان آنها دارد. از دیرباز کاهش ضریب پسا و افزایش ضریب برا بهمنظور کاهش نیروهای اعمالی بر پره و بالا بردن توان تولیدی توربین بادی موردنظر بوده است. در این تحقیق با استفاده از یک ایده بهبودیافته استفاده شده در صنعت هوایی و ایجاد یک سری شکافهای طولی در طول باله و ایجاد یک مکش در داخل بدنه باله توربین بادی، متناسب با سرعت باد برخوردی با توربین بادی، جدایش جریان را به تعویق انداخته و توان تولیدی توربین افزایش یافته است.
هندسه دقیق پره های توربین با استفاده از روش اسکن سه بعدی استخراج شده و در نرم افزار گمبیت1شبکه بندی شده و برای حل از نرم افزارفلوئنت2استفاده گردید. با توجه با محدوده رینولدز3و ابعاد پره های توربین بادی و حل عددی جریان پایا حول توربین بادی از مدل مغشوش k- SST استفاده شده است. با توجه به نتایج شبیه سازی و مقای سه توان تولیدی در چند سرعت باد متفاوت و زوایای پیچ متغیر پره توربین بادی، توربین بادی در زاویه پیچ 8 درجه و سرعت باد 16 متر بر ثانیه بیشترین میزان توان تولیدی را داراست. مشاهده می شود که در حالت باله های همراه با اسلات های طولی، توان تولیدی به میزان 15 الی 20 درصد افزایش یافته است.
-1 مقدمه
با توجه به تحقیقات متنوعی که در مورد لایهمرزی سیال در تماس با یک سطح جامد از گذشته انجامشده است، تکنیکهای توسعهیافته برای کنترل لایهمرزی، بهمنظور افزایش نیروی برا یا کاهش نیروی پسا، تحت عنوان کلی کنترل لایهمرزی و کنترل جریان طبقه بندی شدهاند .[1] در سال 1961 فلت4نشان داد که کنترل لایهمرزی شامل هرگونه مکانیسم یا فرآیندی میشود که موجب تغییر رفتار لایهمرزی بهطور متفاوت با رفتار نرمال آن زمانی که بطور طبیعی و تحت هیچگونه کنترلی در امتداد یک سطح مستقیم صاف توسعه مییابد .[2]
روشهای کنترل جریان، برای اهدافی از جمله، به تأخیر انداختن انتقال از رژیم جریان آرام به رژیم جریان متلاطم، به تأخیر انداختن جدایش در لایهمرزی، بهبود - افزایش - نیروی برا، کاهش نیروی پسا، تقویت تلاطم جریان و همچنین در مواردی از بین بردن سر و صدا حا صل از عبور جریان از روی سطح در نظر گرفته شد. مطالعات زیادی روی تکنیکهای کنترل جریان انجام شده است.
پرانتل5اولین دانشمندی بود که مکش لایهمرزی را روی سطح یک استوانه بهمنظور به تأخیر انداختن جدایش در سال 1904 انجام داد. شیوههای مکش و دمش در آزمایشها بسیاری در چند دهه اخیر مورد مطالعه و استفاده قرار گرفت. بسیاری از آزمایشها نشان دادند که مکش و دمش میتوانند توزیع فشار تمام سطح یک ایرفویل را تغییر دهند و اثر قابلتوجهی روی ضریب نیروی برا و پسا داشته باشند .[3-7] در طول چند دهه گذشته، آثار عددی مختلفی روی اغلب ایرفولهای معمول و پراستفاده ناسا بهمنظور اندازهگیری ضرایب نیروهای برا و پسا تحت شرایط جریانهای مختلف انجامشده است.
-1-1 مروری بر کارهای گذشته
هوانگ6و همکاران [8] تکنیکهای مکش و دمش کنترل جریان را روی ایرفویل NACA 0012 مورد مطالعه قرار دادند. آنها متوجه این موضوع شدند که زمانیکه محل بهینه جت و زاویه بهینه حمله ترکیب شوند، مکش عمودی در لبه پیشرو، ضریب نیروی برا را بیشتر از شرایط مکش در همان محل جت و زاویه حمله بهینه، افزایش میدادند. همچنین دمش مماسی در مکانهای پایین د ست منجر به ر سیدن به بی شترین افزایش در مقادیر ضرایب نیروی برا می شد.
رو ساس[9]7، کنترل جدایش جریان را از طریق تزریق نو سانی سیال برر سی کرد که مطالعات وی ن شان داد این کنترل تزریق نو سانی سیال روی سطح موجب افزایش ضریب برا بطور چ شمگیری میگردد. آکایوز و تان سر[10]8 بهینه سازی پارامترهای جت م صنوعی را در زوایای مختلف حمله بهمنظور بیشینهسازی نسبت برا به پسا را در ایرفویل NACA 0015 را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که محل بهینه جت مصنوعی به سمت لبه نقل مکان کرده و زاویه بهینه جت مصنوعی با افزایش زاویه حمله، افزایش مییابد .
جنش9و همکاران [11] بهصورت عددی به آنالیز آیرودینامیکی دوبعدی یک ایرفویل بهمنظور بهبود تاثیر سیستم کنترل دایروی پرداختند. در این پژوهش طولهای مختلف شکافها در زوایای مختلف دریچه انحرافی جریان سیال و لبه دمش برای بهینهسازی عملکرد بالای برا مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش برای جلوگیری از بوجود آمدن حبابهای نازک و اولیه جدایش در نزدیکی لبه حمله و در نتیجه جلوگیری از جدایش در سطح ایرفویل، از شکاف دمش دوم در لبه حمله استفاده شد. با توجه به مطالعهای که ژانگ10در سال 2012 انجام دادند [12] ، ایرفول توربین بادی باید بتواند الزامات آیرودینامیکی زیر را بهمنظور مؤثر بودن طراحی توربین برآورده کند:
-1 بالا بودن نسبت ضریب نیروی برا به ضریب نیروی پسا و همچنین ضریب برا بالا -2 عملکرد مناسب در برابر رفتار تصادفی باد -3حساسیت پایین عملکرد پره نسبت به زبری لبه حمله در طی سالهای اخیر روشهای مختلف بهینهسازی توسط دانشمندان متعددی بهمنظور طراحی ایرفویلهایی که این شرایط را برآورده کنند مورد ا ستفاده قرارگرفته ا ست.
با این حال دا شتن یک شکل خاص ایرفویل که تمامی این شرایط را در تمامی رژیمهای مورد بهره برداری از توربینهای بادی، برآورده کند تقریبا غیر ممکن به نظر میرسد. اصلاح تیغه و سرعت متغیر توربین، مکانیسمهایی هستند که اجازه استخراج بهتر قدرت را از توربینهای بادی زمانی که رژیمهای مورد استفاده تغییر میکنند، فراهم میکند. مکش یا دمش در لبه فرار ایرفویل ن صب م شوند. این تدبیر ضریب برا را بهخوبی افزایش میداد در صورتی موجب افزایش کمی در ضریب پسا میشد.
-1-2 پیشینه پژوهش و تعریف مسئله
با توسعه امکانات محاسباتی در سالهای اخیر به لطف پیشرفت چشمگیر در زمینه نرمافزارهای شبیهساز و تحلیلی، مباحث دینامیک سیالات محاسباتی - - CFD بطور فزایندهای بهویژه بهمنظور بررسی و کنترل لایهمرزی مورد استفاده قرارگرفته است. این پیشرفتها باعث شد تا مطالعات متعددی در مورد کنترل جریانهای متفاوت از طریق روشهایCFD بهمنظور بررسی اثرات دمش، مکش و جتهای مصنوعی روی ویژگیهای آیرودینامیکی بالهای توربینهای بادی نیز مورد توجه قرار بگیرد.
نرسی پور13و همکاران [15] با استفاده از شبیهسازی دوبعدی CFD به مطالعه یک سیستم ایرفویل جند عنصره برای توربینهای بادی که متشکل از یک عنصر اصلی، دو دهانه قابل تغییر و شکافها و برآمدگیهایی بود، پرداخت. نتایج آنها نشان داد که تغییرات در فا صله فلپها، شکافها، برآمدگیها و زوایای انحراف میتواند کارایی آیرودینامیکی ایرفویلهای چند تکه را افزایش دهد. این حال هیچ مکان ثابتی برای فلپها وجود ندارد که برای بهترین عملکرد در رژیمهای مختلف بهرهبرداری از توربینهای بادی قابل استفاده باشد.
براساس یک رویکرد بهینه سازی CFD دوبعدی، گانا14و همکارانش [16]، اثرات استفاده از شکافها را در ایرفویلهای ضخیم از ق سمت داخلی یک روتور مدرن چند مگاواتی برای افزایش برق تولیدی مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد که اثرات سومندی در اثر افزایش عملکرد آیرودینامیکی قسمت داخلی بالههای روتور داشته و اثرات مفید آن در صورتی که بالههای روتور ا صلی و شکافها ب صورت م شابه طراحی شوند، بی شتر خواهد بود. هیانگ15و همکارانش [17] اثرات یک روش کنترلی نسبتا جدید را که از یک جریان همکار فعال در ایرفول استفاده میکند را مورد بررسی قرار دادند.
جریان جت همکار ایرفویل بهوسیله یک شکاف دمنده در نزدیکی لبه مقدم و یک شکاف مکنده در نزدیکی لبه انتهایی در سطح مکنده ایرفویل طراحی شده ا ست. که نتیجتا یک جت با سرعت بالا بطور مماس به جریان ا صلی ا ضافه شده و در عین حال همان مقدار از جریان جرم به شکاف مکنده، ک شیده می شود. نتایج ن شان داد که این جریان اثر مثبتی قابلتوجهی در افزایش ضریب نیروی برا، ناحیه واماندگی و کاهش ضریب پسا دارد. روی16و همکارانش [18] با استفاده از روشهای CFD با ایجاد یک کانال در بدنه یه ایرفویل که سیال در آن جریان دارد، در زوایای مختلف کانال به برر سی اثرات آن پرداختند.
نتایج بد ست آمده در مقایسه با نمونه بدون کانال نشان داد که این روش میتواند به کنترل واماندگی جریان روی این نوع تیغهها کمک کند و تحت پارامترهای مناسب این مدل میتواند مقاومت سطح پره را کاهش و اثر نیروی برا را افزایش دهد. همچنین به کاهش جدایش لایهمرزی کمک کند. این کانال نقش مشابهی مانند شکاف متعادلکننده بازی کرده و موجب شتاب یافتن سرعت جریان پرفشار سرعت بالا به ناحیه کمفشار شده و هیچ کار اضافی مصرف نشود.
با توجه به اینکه تغییرات ایجاد شده در روی ایرفویل ها تا کنون در حالت دوبعدی انجام شده ا ست و در مورد تحلیل های سه بعدی جریان پیرامون توربین بادی این طراحی انجام نشده است ، در این مقاله ضمن شبیه سازی جریان پایا پیرامون پره توربین بادی محور افقی توسط دینامیک سیالات محاسباتی ، تاثیر ایجاد شکاف روی پره ها روی عملکرد توربین بادی نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.
-2 طراحی بدنه پره توربین بادی
پس از برر سی فایل هند سه های موجود نتیجه گیری شد که هیچ کدام از هند سه های موجود از پره توربین بادی 660 کیلو واتی V-47 قابلیت استفاده در تحلیل به روش دینامیک سیالات محاسباتی را ندارند. دلیل این امر آن است که عمده هندسه های موجود با توجه به کاربردهای جامداتی و تحلیل تنش تولید شده بودند که لازمه این چنین تحلیل هایی دقت فراوان در تولید سطوح منحنی و جزییات هندسی پره نمی باشد.
