شبیه سازی جریان آب گردشی حول توربین آبی محور افقی همراه با صحت سنجی مقاله

شبیه سازی جریان آب گردشی حول توربین آبی محور افقی همراه با صحت سنجی مقاله


پروژه­ حاضر به شبیه ­سازی جریان آب چرخشی حول پره­ های توربین آبی نوع افقی با استفاده از نرم ­افزار ansys fluent پرداخته است و نتیجه­ حاصل از آن با نتایج موجود در یک مقاله­ مرجع معتبر مقایسه و اعتبارسنجی شده است. برای این شبیه سازی از روش frame motion استفاده شده است.

نقد و بررسی : شبیه سازی جریان آب گردشی حول توربین آبی محور افقی همراه با صحت سنجی مقاله

شرح مسأله

پروژه­ حاضر به شبیه ­سازی جریان آب چرخشی حول پره­ های توربین آبی نوع افقی با استفاده از نرم ­افزار ansys fluent پرداخته است و نتیجه­ حاصل از آن با نتایج مقاله­ مرجع [1] مقایسه و اعتبارسنجی شده است. دو ناحیه در اطراف پره ­ها مخصوص جریان آب در نظر گرفته شده است؛ بدین ترتیب که یک ناحیه به صورت استوانه­ ای شکل دقیقاً در اطراف پره ­ها و یک ناحیه­­ مکعب مستطیلی با مقیاسی بزرگ­تر در اطراف این استوانه­ در نظر گرفته شده است. جریان آب در فضای مکعب مستطیلی بیرونی به صورت یک جریان انتقالی افقی با سرعت 1 متربرثانیه به سمت بدنه­ توربین آبی حرکت می­ کند؛ از این­ رو، با برخورد جریان آب انتقالی به پره­ های توربین و ایجاد نیروی گشتاوری بر روی پره ­ها، یک حرکت چرخشی در پره ­های توربین حاصل می­ گردد که این حرکت چرخشی موجب ایجاد جریان گردشی برای آب موجود در اطراف پره ­ها در ناحیه­ استوانه ­ای شکل می­ گردد. برای شبیه ­سازی چرخش پره ­های توربین از تکنیک frame motion استفاده شده است؛ بدین ترتیب که فرض شده است که پره­ ها ثابت بوده و آب موجود در اطراف پره دارای حرکت دورانی نسبت به پره­ های ثابت است. بنابراین برای ناحیه­ استوانه­ ای شکل، از حالت frame motion با تعریف سرعت چرخشی معادل 191 دوربردقیقه حول محور افقی مرکزی توربین استفاده شده است.

 

 

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه ­بندی

مدل حاضر به صورت سه­ بعدی و با استفاده از نرم افزار design modeler طراحی شده است؛ بدین صورت که مقاطع مربوط به پره­ های توربین به شکل ایرفویل نوع S814 می­ باشد که مختصات نقاط دور تا دور انحنای آن از سایت airfoil tools به دست می­ آید و در قالب فایل notepad خروجی گرفته می شود. با توجه به این که مقطع ایرفویلی پره ­ها در مقاطع مختلف پره (در فواصل مختلف از محور مرکزی توربین) با مقیاس مشخصی (براساس طول وتر ایرفویل) کاهش یا افزایش می ­یابد، هر یک از مقاطع ایرفویلی به صورت مجموعه ­ای از نقاط دارای مختصات به نرم­ افزار solidworks فراخوانی شده و در زاویه­ و فاصله­ معین از محور مرکزی، در نرم ­افزار solidworks رسم می­ گردد. سپس این مقاطع که شامل 16 مقطع می­ باشد، به نرم­ افزار design modeler جهت طراحی یکپارچه­ پره ­ها فراخوانی می­ گردد. در نرم ­افزار design modeler مدلسازی بدین صورت انجام می ­شود که برای توربین مورد نظر، تعداد 3 پره ترسیم می ­شود و در فضای اطراف پره ­های توربین، یک استوانه مخصوص ایجاد جریان گردشی آب ایجاد شده و یک فضای مکعب مستطیلی نیز به عنوان فضای مخصوص جریان آزاد آب طراحی شده است. اطلاعات هندسه­ مربوط به پره ­های توربین شامل اندازه­ وتر هر یک از مقاطع ایرفویلی پره و زاویه­ قراگیری آن نسبت به محور مرکزی در جدول 3 مقاله­ مرجع [1] ارائه شده است. شکل زیر نمایی از هندسه­ ترسیمی را نشان می­ دهد.

 

 

 

شبکه­ بندی مدل با استفاده از نرم ­افزار ansys meshing و به صورت بدون سازمان انجام گرفته است. برای افزایش دقت در مدلسازی از مش لایه­ مرزی بر روی سطوح پره ­های توربین استفاده شده است و تعداد سلول­ های تولیدی برابر 4270222 می­ باشد. شکل زیر نمایی از شبکه­ بندی را نشان می دهد.

 

 

گام 2) مراحل شبیه ­سازی

برای شبیه­ سازی مسأله­ حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است:

  • شبیه­ سازی مسأله از نظر زمانی به صورت پایا (steady) صورت گرفته است؛ زیرا توربین آبی حاضر از نوع محور افقی می­ باشد و درنتیجه زمان بر روی نیروهای هیدرودینامیکی اثرگذار نخواهد بود.
  • برای شبیه ­سازی از حلگر مبتنی بر فشار (pressure-based) استفاده شده است.
  • اثر گرانش زمین بر روی جریان سیال لحاظ نشده است.

خلاصه­ ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

 

 

گام 3) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، مقدار توان توربین (P) براساس مقدار گشتاور اعمالی بر روی هر یک از پره ­های توربین (T) و به تبع آن، مقدار ضریب فشار اعمالی بر روی پره های آن (Cp) توسط نرم­ افزار محاسبه شده است و با مقادیر مشابه در مقاله­ [1] مقایسه و اعتبارسنجی شده است. این مقایسه و فرایند اعتبارسنجی براساس داده ­های موجود در جدول 2 مقاله­ [1] انجام گرفته است. درواقع بخشی از داده ­های موجود در جدول مذکور به عنوان داده­ های ورودی یا مقادیر مرجع (reference value) در نظر گرفته شده ­اند و براساس آنها، مقدار نهایی مربوط به گشتاور و ضریب فشار به دست آمده است. فرمول های مربوط به توان و ضریب فشار براساس مقاله به صورت زیر می ­باشد و مقایسه­ نتایج حاصل از کار حاضر با نتایج مقاله در جدول زیر ارائه شده است.

 

فرمول توان توربین

 

فرمول ضریب فشار وارد بر پره ­های توربین

 

مقایسه و صحت­سنجی با مقاله [1]

 

 

همچنین پس از پایان حل، کانتورهای فشار و سرعت همراه با بردارهای سرعت و خطوط جریان به دست آمد.

 

 

 

Reference

Chul hee Joa, Jin young Yim, Kang hee Lee, Yu ho Rho, Performance of horizontal axis tidal current turbine by blade configuration, Renewable Energy 42 (2012) 195-206

 

نقد وبررسی

نقد بررسی یافت نشد...

اولین نفر باشید که نقد و بررسی ارسال میکنید... “شبیه سازی جریان آب گردشی حول توربین آبی محور افقی همراه با صحت سنجی مقاله”

پیگیری سفارش
لیست مقایسه
شگفت انگیز ها
logo-samandehi