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.