نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی جریان هوا حول توربین بادی محور افقی
مقدمه ای بر توربین باد
توربین های بادی ماشین هایی هستند که انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. ساختمان توربین ها از سه بخش اصلی شامل برج (که همه ی اجزاء روی آن سوار هستند)، رتور و پره ها یا تیغه های دوار متصل به آن و پوشش محافظ (شامل سیستم کنترل، گیربکس، ژنراتور و شفتها) تشکیل شده است. نحوه ی طراحی پره ها در توربینهای بادی به گونه ای میباشد که با وزش باد به گردش درمیآیند. گردش پره ها موجب چرخش رتور توربین شده و درنتیجه، گشتاور اعمالی به پرهها به سرعت دورانی در جعبه دنده ی توربین میشود؛ بدین ترتیب، انرژی مکانیکی توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد. شکل 1 نمایی از ساختمان یک توربین باد را نمایش میدهد.
شکل 1 : نمایی از ساختمان یک توربین بادی
توربین های بادی براساس محور چرخش به دو دسته ی کلی تقسیم میشوند که شامل توربین های محورافقی (horizontal axis wind turbine) و توربین های محور عمودی (vertical axis wind turbine) میباشد. توربین باد محور افقی دارای محور دورانی به صورت هم راستا با جهت جریان باد میباشد؛ درحالی که توربین باد محور عمودی دارای محور دورانی به صورت عمود بر جهت جریان باد میباشد. توربین های افقی قابلیت کار در ارتفاع های بالا با سرعت جریان بالای باد را دارند و به دلیل قرارگیری به طور مستقیم در معرض جهت جریان باد، دارای بازدهی بالاتری میباشند؛ در حالی که توربین های عمودی قابلیت کار در ارتفاع های پایین را نیز دارند و حساسیتی به جهت قرارگیری در معرض جریان باد ندارند؛ اما دارای بازدهی پایین تری میباشند، زیرا پره ها پس از چرخش به اندازه ی نیم دور، باید در نیم دور بعدی در خلاف جهت جریان باد قرار بگیرند. شکل 2 شماتیکی از توربین های افقی و عمودی را نمایش میدهد.
شکل 2 : شماتیکی از توربین های باد افقی و عمودی
جریان هوا بر روی هر سطحی دو نوع نیروی آیرودینامیکی شامل نیروی درگ و نیروی لیفت وارد میکند که نیروی درگ در جهت جریان بر سطح وارد میشود؛ درحالی که نیروی لیفت عمود بر جریان باد بر سطح اعمال میگردد. عامل اصلی چرخش پره های توربین های بادی وجود یکی از این دو نیرو یا اعمال هر دو نیرو میباشد. سطح مقطع پره ها در توربین به شکل ایرفویل میباشد؛ زیرا ساختار ایرفویلی شکل موجب اختلاف سرعت جریان باد در سطوح بالا و پایین پره و درنتیجه ایجاد اختلاف فشار در آنها می گردد که این امر موجب به گردش درآمدن پره ها میشود. شکل 3 شماتیکی از سطح مقطع یک پره را به صورت یک ایرفویل نشان میدهد. همچنین محور ایرفویل، زاویه ی حمله، لبه ی حمله و لبه ی فرار در شکل مشخص میباشد.
شکل 3 : شماتیکی از نیروهای درگ و لیفت حول مقطع پره ی توربین
شرح مسأله
مسأله ی حاضر به بررسی جریان هوا بر روی پره های توربین پرداخته است؛ به طوری که هدف از مسأله، بررسی توزیع سرعت و فشار بر روی سطح پره ها و بر روی بدنه ی آنها میباشد. سه ناحیه در اطراف پره ها مخصوص جریان هوا در نظر گرفته شده است. یک ناحیه در اطراف پره ها، یک ناحیه در فضای جلوی پره ها و یک ناحیه در فضای پشت پره ها در نظر گرفته شده است. جریان هوا در فضای جلو و پشت پره ها به صورت عادی رفتار میکند؛ در حالی که در ناحیه ی اطراف پره ها، جریان پرخشی تحت تأثیر حرکت دورانی پرهها ایجاد میگردد.
برای شبیه سازی مسأله ی حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است:
- شبیه سازی مسأله از نظر زمانی به صورت پایا (steady) صورت گرفته است؛ زیرا توربین باد حاضر از نوع افقی میباشد و درنتیجه اثر زمانی بر روی نیروهای درگ و لیفت لحاظ نشده است.
- برای شبیه سازی از حلگر pressure-based استفاده شده است.
- اثر گرانش زمین بر روی جریان سیال لحاظ نشده است؛ زیرا سیال موجود در شبیه سازی هوا میباشد.
گام 1) ترسیم هندسه و شبکه بندی
مدل حاضر به صورت سه بعدی در نرم افزار solidworks طراحی شده است و به نرم افزار design modeler انتقال یافته است. توربین حاضر دارای سه پره، یک محور دورانی و ناحیهی مربوط به فضای دور پره ها میباشد. شکل 4 نمایی از هندسه ی ترسیمی را نشان میدهد.
شکل 4 : نمایی از هندسه ی ترسیمی
شبکه بندی مدل توسط نرمافزار ansys meshing انجام گرفته است؛ به صورتی که شبکه ی حاضر از نوع بدون سازمان و به صورت مثلثی بوده و دارای 4270222 سلول میباشد. شکل 5 نمایی از شبکه بندی انجام گرفته را نشان میدهد.
شکل 5 : نمایی از شبکه بندی
گام 2) مراحل شبیه سازی
خلاصه ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :
جدول 1 : خلاصه مراحل شبیه سازی و فرایند حل
مدل آشفتگی k-omega SST : از آنجایی که شبیه سازی حاضر مربوط به جریان خارجی میباشد، از مدل k-omega استفاده شده است. این مدل از k-omega به صورت یک تابع ترکیبی عمل میکند؛ به طوری که موجب انتقال تدریجی جریان از مدل k-omega در نواحی نزدیک دیواره، به مدل k-epsilone در نواحی دورتر از لایه ی مرزی میشود. این مدل برای جریانهای دارای گرادیان فشار معکوس و در شبیه سازی های مربوط به ایرفویل ها پرکاربرد میباشد. از آنجایی که در مدل k-omega تابع دیواره تعریف نمیشود، لذا باید در نواحی نزدیک دیواره های ایرفویل، از شبکه های ریزتر استفاده گردد. البته در این مدل آشفتگی، به دلیل انتقال از یک مدل به مدل دیگر، احتمال واگرایی افزایش مییابد.
استفاده از تکنیک frame motion : هدف از شبیه سازی حاضر، اثر جریان باد بر روی پره های توربین و محاسبه ی نیروهای درگ و لیفت وارد بر سطوح پره ها میباشد. در این مسأله، پره های توربین با سرعت دورانی 72 rad.s-1 حول محور افقی خود میچرخد و هوای موجود در ناحیه ی اطراف پره ها ساکن میباشد. حال با استفاده از روش مذکور، میتوان پره ها را به صورت ثابت فرض کرد و جریان باد اطراف پره ها را به صورت ناحیهی در حال چرخش با همان سرعت دورانی 72 rad.s-1 حول محور y فرض کرد. همچنین، از آنجایی که شبیه سازی به صورت پایا میباشد، گزینهی mesh motion غیرفعال است؛ زیرا این گزینه برای زمانی کاربرد دارد که اثر زمانی باید بر روی حل مسأله اعمال گردد و هدف مسأله، تعریف سرعت دورانی برای پره های توربین باشد.
دیدگاهی ثبت نشده.