بررسی اصول و شبیه‌سازی عددی عملکرد توربین باد ساحلی و فرا ساحلی در حالت ناپایا

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 دانشگاه علم و صنعتی ایران؛ گروه مهندسی مکانیک دانشگاه جهرم

2 دانشگاه علم و صنعتی ایران

3 دانشگاه امیرکبیر تهران

چکیده

با توجه به نقش بسزای توربین‌های بادی در تولید انرژی از باد به عنوان یکی از منابع انرژی تجدید پذیر، بررسی عملکرد این توربین‌ها در دو حالت پایا و ناپایا ضروری می‌باشد. یکی از ابزارهای بسیار کارآمد در این زمینه روش دینامیک سیالات محاسباتی و یکی از حالات بسیار مهم در عملکرد توربین‌ها حالت ناپایا می‌باشد. در این پژوهش عملکرد هیدرودینامیکی دو نوع توربین باد ساحلی و فراساحلی در حالت ناپایا و با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است. مدل‌های توربولانسی SST k-ω و شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ به ترتیب برای توربین باد محور افقی ساحلی و فراساحلی استفاده گردیده است. نتایج سه بعدی حاصل از شبیه‌سازی با نتایج تجربی مقایسه و مورد صحت سنجی قرار گرفته است که تطابق مناسب نتایج نشان دهنده صحت روش و فرضیات مورد استفاده است. میانگین خطا در توربین ساحلی در پارامتر توزیع فشار در سرعت باد 7 متر بر ثانیه در تمامی مقاطع پره توربین در حدود 5 درصد می باشد همچنین میزان اختلاف در گشتاور توربین فرا ساحلی در سرعت باد 9 متر بر ثانیه کمتر از 3 درصد خواهد بود. همچنین اثرات نوک پره بر روی ایجاد و گسترش گردابه‌ها مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش تعداد پره‌ها مقدار گشتاور و همچنین گردابه‌های ناشی از نوک پره روتور افزایش خواهد یافت. همچنین با افزایش سرعت باد توان مکانیکی و نیروی پیشرانه به‌صورت تدریجی افزایش پیدا کرده و توزیع فشار بر روی سطوح به علت شدت توربولانسی نامرتب خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Global statistics. http://gwec.net/ global-figures/graphs.

[2] Li, Qing’an, Murata, Junsuke, Endo, Masayuki, Maeda, Takao, and Kamada, Yasunari. Experimentalandnumericalinvestigationoftheeffectofturbulentinflowonahorizontalaxiswindturbine(partii: Wake characteristics). Energy, 113:1304–1315, 2016.

 [3] Wang, Zhi-Kui, Tsai, Gwo-Chung, and Chen, YiBao. One-way fluid-structure interaction simulation ofanoffshorewindturbine. International Journal of Engineering and Technology Innovation, 4(3):127– 137, 2014.

 [4] Sørensen, Niels N, Michelsen, JA, and Schreck Scott. Navier–stokes predictions of the nrel phase vi rotor in the nasa ames 80 ft× 120 ft wind tunnel. WindEnergy: AnInternationalJournalforProgress and Applications in Wind Power Conversion Technology, 5(2-3):151–169, 2002.

[5] Langtry, Robin, Gola, Janusz, and Menter, Florian. Predicting 2d airfoil and 3d wind turbine rotor performance using a transition model for general cfd codes. in 44th AIAA aerospace sciences meeting and exhibit, pp. 1–11, 2006.

[6] Hartwanger, David and Horvat, Andrej. 3d modellingofawindturbineusingcfd. inNAFEMS Conference, United Kingdom, vol. 2, pp. 1–14, 2008.

[7] Silva, Paulo ASF, OLIVEIRA, TAYGOARA F, BrasilJunior, AntonioCP,andVaz, JersonRP. Numericalstudyofwakecharacteristicsinahorizontalaxis hydrokinetic turbine. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 88(4):2441–2456, 2016.

[8] Song, MX, Chen, K, He, ZY, and Zhang, X. Wake flowmodelofwindturbineusingparticlesimulation. Renewable energy, 41:185–190, 2012.

 [9] Porté-Agel, Fernando, Wu, Yu-Ting, Lu, Hao, and Conzemius, Robert J. Large-eddy simulation of atmospheric boundary layer flow through wind turbines and wind farms. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 99(4):154–168, 2011.

[10] Bartl, Jan, Pierella, F, and Sætrana, L. Wake measurements behind an array of two model wind turbines. Energy Procedia, 24:305–312, 2012.

 [11] Mo, Jang-Oh, Choudhry, Amanullah, Arjomandi, Maziar, and Lee, Young-Ho. Large eddy simulation of the wind turbine wake characteristics in the numerical wind tunnel model. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 112:11–24, 2013.

[12] Betz, Albert. Introduction to the Theory of Flow Machines. Oxford Pergamon Press, 1966.

 [13] Foreman, KM, Gilbert, B, and Oman, RA. Diffuser augmentation of wind turbines. Solar Energy, 20(4):305–311, 1978.

 [14] Hand, MMaureen, Simms, DA,Fingersh, LJ,Jager, DW,andCotrell,JR.Unsteadyaerodynamicsexperiment phase v: test configuration and available data campaigns, 2001.

[15] Kooijman, HJT, Lindenburg, C, Winkelaar, D, and van der Hooft, EL. Dowec 6 mw pre-design: Aeroelastic modelling of the dowec 6 mw pre-design in phatas, 2003.

[16] Jonkman, Jason, Butterfield, Sandy, Musial, Walter, and Scott, George. Definition of a 5-mw reference wind turbine for offshore system development, 2009.

[17] Musial, Walter and Ram, Bonnie. Large-scale offshore wind power in the united states: Assessment of opportunities and barriers, 2010.

 [18] Bagheri, Edris and Nejat, Amir. Numerical aeroelastic analysis of wind turbine nrel phase vi rotor. Energy Equipment and Systems, 3(1):45–56, 2015.

 [19] Wang, Chenglong. Computational fluid dynamic simulation for an offshore wind turbine. 2011.