مطالعه اثر جریان برشی باد بر عملکرد توربین باد محور افقی به‌کمک الگوی دیسک عملگر سه‌بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در پژوهش حاضر، اثر لایه برشی باد (لایه مرزی اتمسفری) روی عملکرد و رفتار جریان حول روتور توربین باد مرجع MW5 ان.آر.ای.ال. بررسی شده ‌است. برای این منظور، روش دیسک عملگر سه‌بعدی پایا با دقت قابل قبول و هزینه محاسباتی کم برای حل معادلات جریان حول روتور توسعه داده شده ‌است. با استفاده از قابلیت تعریف توابع توسط کاربر در یک نرم‌افزار تجاری برمبنای روش حجم محدود، کدی برای اعمال ممنتوم مجازی به سیال و پروفیل جریان ورودی ناشی از لایه مرزی زمین نوشته شده و معادلات ناویر- استوکس در میدانی استوانه‌ای با اضافه‌شدن عبارت نیروی حجمی به‌عنوان عبارت چشمه حل‌‌ می‌شود. روش دیسک عملگر سه‌بعدی که در این پژوهش توسعه داده شده، قادر است با حل معادلات ناویر- استوکس در ترکیب با الگوریتم ممنتوم- المان- پره دقت بهتری از رفتار جریان حول توربین نسبت به روش ممنتوم- المان- پره ارائه کند و درعین حال هزینه محاسباتی کمتری نسبت به حل کامل معادلات جریان داشته باشد. به‌علت عدم‌تقارن جریان ورودی به صفحه روتور، پره‌های توربین شرایط مختلفی را درحین دوران تجربه می‌کنند. بنابراین، توزیع توان و نیروی محوری در راستای شعاعی پره‌ها در سه موقعیت زاویه‌ای روتور مطالعه شده ‌است. نتایج نشان ‌می‌دهد که جریان برشی ورودی به صفحه روتور سبب عدم‌تقارن در الگوی جریان دنباله روتور، میدان فشار، سرعت و ورتیسیته جریان حول روتور و همچنین بارگذاری متناوب روی پره‌ها می‌شود. برای پروفیل لایه مرزی اتمسفری انتخاب‌شده در این پژوهش، بیشترین اختلاف نیروی محوری وارد بر هر پره حدود kN125 است که مابین دو موقعیت زوایای 90 و 270 درجه درحین دوران رخ می‌دهد. همچنین، در این حالت  عدم تقارن فیزیک جریان حول روتور سبب ایجاد فشار بیشتر به نیمه بالایی دیسک عملگر شده، باعث ایجاد گشتاوری خمشی بر صفحه روتور می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Wind Shear Flow Effects on Horizontal Axis Wind Turbine Performance, Based on Three-dimensional Actuator Disk Model

نویسندگان [English]

  • Abbas Ebrahimi
  • Mostafa Nozari
Aerospace Engineering Department Sharif University of Technology
چکیده [English]

In the present work, wind shear flow (atmospheric boundary layer) effects on aerodynamic performance of the NREL 5MW baseline wind turbine were investigated. In this regard, the steady three-dimensional actuator disk method, based on computational fluid dynamics with low computational cost, was developed, utilizing user-defined function (UDF) in a finite volume-based commercial software package. The rotor was not modeled directly, such that its momentum effect was added to the Navier-Stokes equations as a body force (source term). The developed solver was adopted to compare the flow field behavior around the rotor under uniform and wind shear inflow conditions. Different cases for the rotor azimuth angle were considered to evaluate the radial distribution of rotor power and thrust. Numerical results show that wind shear inflow leads to skew rotor wake, as well as asymmetrical pressure, vorticity, and velocity fields. Moreover, rotor experiences cyclical loading during each rotation. Note, for the selected wind shear profile of this work, the maximum difference in thrust on the rotor plane is about 125KN for each period of rotation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wind Turbine
  • Actuator Disk
  • Wind Shear Inflow
  • Atmospheric Boundary Layer

مراجع

  1. Ebrahimi, A. and Sekandari, M. “Aeroelastic Response of Horizontal-axis Horizontal Axis Wind Turbine in Sudden Wind Gusts Based on Unsteady Blade Element Momentum Element Momentum Method”, Modarres Mech. Eng., Vol. 16, No. 8, pp. 177–184, 2016 (in Persian).
  2. Carrión, M., Steijl, R., Woodgate, M., Barakos, G.N., Munduate, X., and Gomez-Iradi, S. “Aeroelastic Analysis of Wind Turbines, Using a Tightly Coupled CFD-CSD Method”, Fluids and Structures, Vol. 50, pp. 392–415, 2014.
  3. Ebrahimi, A. and Movahhedi, M. “Power Improvement of a Large Horizontal-Axis Wind Turbine by DBD Plasma Actuator”, Modarres Mech Eng, Vol. 16, No. 12, pp.509–517, 2016 (in Persian).
  4. Sخrensen, J.N., Mikkelsen, R.F., Dan, S., Ivanell, S. Sarmast, S., and Anderse, S. “Simulation of Wind Turbine Wakes, Using the Actuator Line Technique”, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical, and Engineering Sciences, Vol. 373, No. 2035, p. 20140071, 2015.
  5. Zhang, P. and Huang, S. “Review of Aeroelasticity for Wind Turbine: Current Status, Research Focus and Future Perspectives”, Frontiers in Energy ,Vol. 5, No. 4, pp. 419–434, 2011.
  6. Mikkelsen, R. “Actuator Disc Methods Applied to Wind Turbines”, PhD Dissertation, Department of Mechanical Engineering Technical University of Denmark, Denmark, June, 2003.
  7. Kim, T., Oh, S., and Yee, K.  “Improved Actuator Surface Method for Wind Turbine Application, Renewable Energy”, Vol. 76, pp. 16–26, 2015.
  8. Sorensen, J.N. and Myken, A. “Unsteady Actuator Disc Model for Horizontal Axis Wind Turbines”, Wind Energy, Vol. 39, No's. 1–3, pp. 139–149, 1992.
  9. Sorensen, J.N., Shen, W.Z., and Munduate, X. “Analysis of Wake States by a Full-Field Actuator Disc Model”, Wind Energy, Vol. 1, No. 2, pp. 73–88, 1998.
  10.  Mikkelsen, R., Sörensen, J.N., and Shen,W.Z. “Modelling and Analysis of the Fow Field around a Coned Rotor”, Wind Energy, Vol. 4, No. 3 , pp. 121–135, 2001.
  11. Mahmoodi, E., Jafari, A., and Keyhani, A. “Wind Turbine Rotor Simulation via CFD Based Actuator Disc Technique, Compared to Detailed Measurement”, Renewable Energy Development, Vol. 4, No. 3, p. 205, 2015.
  12. Behrouzifar, A., Schneider, G.E., and Darbandi, M. “Numerical Investigation of Actuator Disc Thickness Effect on Predicting the Performance and Far Wake of the Horizontal Axis Wind Turbine” The Int. Conf. Engineering Congress and Expositiom., Texas, 2015.
  13. Boojari, M., Mahmoodi, E., Nejad, A.A., and Sarmast, S. “Modeling the Wake of Mexico Experiment’s Wind Turbine, Using Elliptic Force Distribution in Actuator Line Method in OpenFOAM”, Modarres Mech. Eng., Vol. 16, No. 9, pp.77-86, 2016 (in Persian).
  14. Darbandi, M., Behrouzifar, A., Jalali, R., and Schneider, G.E. “Megawatt Wind Turbine Far Wake and Performance Predictions, Using the Unsteady Actuator Line Model”, The 34th Int. Conf., Wind Energy Symposium, USA, 2016.
  15. Shen, Xin., Zhu, Xiaocheng., and Du, Zhaohui. “Wind Turbine Aerodynamics and Loads Control in Wind Shear Flow”, Energy, Vol. 36, pp. 1424-1434, 2011.
  16. Eggers, A.J., Digumarthi, R., and Chaney, K. “Wind Shear and Turbulence Effects on Rotor Fatigue and Loads Control”, Solar Energy Engineering, Vol. 125, pp. 402-409, 2003.
  17. Mikkelsen, R. and Sørensen, JN. “Prescribed Wind Shear Modelling Combined With the Actuator Line Technique”, The Int. Conf., European Wind Energy Conference and Exhibition, Milano, 2007.
  18. Jeong, M., Kim, S., Lee, I., and Yoo, S. “Wake Impacts on Aerodynamic and Aeroelastic Behaviors of a Horizontal Axis Wind Turbine Blade for Sheared and Turbulent Flow Conditions”, Fluids and Structures, Vol. 50, pp. 66–78, 2014.
  19. Jonkman, J., Butterfield, S., Musial,  W., and Scott,  G. “Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development” Technical Report NREL-TP-500-38060.
  20. Ramos García, N., Sørensen, J. N., and Shen,  W.Z. “Validation of a Three-dimensional Viscous–Inviscid Interactive Solver for Wind Turbine Rotor”, Renewable Energy, Vol. 70, pp.78–92, 2014.
  21. Ebrahimi A. and Movahhedi, M. “Power Improvement of NREL 5-MW Wind Turbine, Using Multi-DBD Plasma Actuators”, Energy Conversion and Management, Vol. 146, pp. 96-106, 2017.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 06 خرداد 1397
  • تاریخ پذیرش: 21 شهریور 1397
  • تاریخ انتشار: 01 تیر 1398

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار