توربین آبی محور محور افقی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (توربین آبی)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی یک توربین آبی محور افقی (horizontal axis water turbine (HAWT)) با استفاده از نرم افزار انسیسی فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

در این شبیه سازی به بررسی جریان آب بر روی پره‌های توربین آبی محور افقی (HAWT) می‌پردازیم؛ به طوری که توزیع سرعت و فشار برروی پره‌های توربین آبی را بررسی می‌کنیم.

دو ناحیه در اطراف پره‌ها در نظر می‌گیریم؛ از جمله یک ناحیه استوانه‌ای فقط اطراف پره‌ها و یک ناحیه بزرگ اطراف آن استوانه. جریان آب در فضای بیرونی بزرگ مانند یک جریان عادی رفتار می‌کند؛ در حالی که در ناحیه استوانه‌ای اطراف پره‌ها، جریان چرخشی ناشی از حرکت چرخشی پره‌ها وجود دارد.

مدل حاضر را به صورت سه بعدی با استفاده از نرم افزار سالیدورک (Solidworks) و دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی کردیم.

سطح مقطع پره‌های توربین از نوع ایرفویل S814 می‌باشد که مختصات آن از وب سایت Airfoil Tools گرفته شده و در قالب یک فایل notepad خروجی گرفته می‌شود. از آنجایی که سطح مقطع ایرفویلی پره‌ها با مقیاس‌های مختلفی در حال کاهش یا افزایش می‌باشد، از Excel برای تعیین مختصات تیغه‌ها در نقاط مختلف استفاده می‌شود.

سپس هر بخش ایرفویل در نرم افزار سالیدورک در زوایای و مختصات مناسب ترسیم می‌شود و برای طراحی پره‌ها و محور توربین در نرم افزار دیزاین مدلر فراخوانی می‌شود. در این نرم افزار، یک ناحیه مخصوص جریان آب چرخشی در اطراف پره‌های توربین ایجاد می‌کنیم و یک فضای بزرگ به عنوان فضای جریان آب معمولی طراحی می‌کنیم.

مدل را با استفاده از نرم افزار انسس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کردیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 4270222 سلول با شبکه بندی ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

همان‌طور که گفته شد، دو ناحیه محاسباتی اطراف پره‌های توربین ایجاد کردیم. یک ناحیه استوانه‌ای کوچک نزدیک بدنه توربین آبی که درون یک ناحیه محاسباتی بزرگ قرار دارد. ناحیه استوانه‌ای دارای حرکت چرخشی و ناحیه بزرگ به صورت ساکن است.

در بخش استوانه‌ای، پره‌های توربین آبی با سرعت دورانی 191 دوردردقیقه می‌چرخند؛ در حالی که آب در ناحیه اطراف پره‌ها ساکن است. با استفاده از روش فوق می‌توان پره‌ها را ثابت و جریان آب در اطراف پره‌ها را ناحیه چرخشی با همان سرعت دورانی 191 دوردردقیقه حول محور افقی توربین فرض کرد.

همچنین از آنجایی که شبیه‌سازی در حالت پایای زمانی (steady) است، گزینه مش متحرک (Mesh Motion) غیرفعال می‌شود؛ زیرا این گزینه زمانی استفاده می‌شود که ترم زمان در حل مدل اثرگذار باشد. پس در این مدل‌سازی، از روش قاب متحرک (Frame Motion) استفاده کردیم.

نتایج

هدف از شبیه سازی حاضر، بررسی رفتار جریان آب اطراف پره‌های توربین آبی است. با کانتور (contour) سرعت و فشار می‌توان تأثیر متقابل جریان آب و بدنه پره‌های توربین را بررسی کرد. با خطوط جریان (streamline) و بردارهای (vector) سرعت می‌توان به بررسی کیفیت حرکت چرخشی جریان آب در اطراف پره‌های توربین پرداخت.