مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مقایسه مدل های واماندگی دینامیکی با استفاده از رویکرد عددی و نیمه تحلیلی در ایرفویل توربین بادی

نویسندگان
سپهر راسخ 1
سعید کریمیان علی ابادی 2
محمد حسینی دوست 2
1 دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در این پژوهش، مدل های نیمه تحلیلی و عددی موجود که به منظور بررسی اثرات واماندگی دینامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند با هم مقایسه شده اند، و نقاط قوت و ضعف هر کدام بیان می‌گردد. مقایسه نتایج شبیه‌سازی، با استفاده از داده های ازمایشگاهی انجام شده است. روش‌های نیمه تحلیلی مورد بررسی، روش لیشمن-بدووس، روش اسنل و روش اونرا می باشند و برای شبیه سازی عددی از روش حجم محدود در محیط نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. ضریب برا با استفاده از همه روش‌های یاد شده برای حالت های مختلف به دست اورده شده است و برای به دست اوردن ضریب پسا در حالت دینامیکی از روش های عددی و لیشمن-بدووس استفاده می‌شود. پارامتر هایی که برای مقایسه مدل های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند، میزان بیشینه ضریب نیروی برا و زاویه حمله رخداد ان، میزان خطا در فاز افزایش زاویه حمله و میزان خطا در فاز کاهش زاویه حمله می‌باشند. نتایج نشان می‌دهند که از بین روش های نیمه تحلیلی، روش لیشمن-بدووس دقت بیشتری در پیش بینی ضریب برا دارد، و روش عددی اگرچه می تواند جزئیات بیشتری از جریان را نسبت به روش های نیمه تحلیلی مورد بررسی قرار دهد، اما این روش به خصوص در فاز کاهش زاویه حمله خطا دارد. نتایج شبیه سازی ضریب پسا نشان می‌دهد که روش عددی دقت بیشتری در پیش‌بینی این ضریب نسبت به روش لیشمن-بدووس دارد. نتایج به دست امده می‌تواند محققان را در انتخاب مدل مناسب واماندگی دینامیکی برای بررسی ایرودینامیکی توربین های بادی یاری کند.
کلیدواژه‌ها
واماندگی دینامیکی
ایرفویل توربین بادی
مدل های نیمه تحلیلی
روش عددی

عنوان مقاله English

Comparison of Dynamic Stall Models Using Numerical and Semi-Empirical Approaches for a Wind-Turbine Airfoil

نویسندگان English

sepehr rasekh 1
Saeed Karimian aliabadi 2
mohammad hosseinidoust 2
1 Aerospace Engineering, Faculty of mechanical engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Modares university
چکیده English

In this paper, the Semi-Empirical and numerical methods that can be used to investigate the effects of dynamic stall are compared with each other, and the capabilities of the methods are studied. The experimental measurements have been used in order to compare the methods. The Semi-Empirical Leishman-Beddoes (L-B), Snel and ONERA methods have been used, and the finite volume method was being used for numerical simulations. The lift coefficient was being calculated by all the methods at various conditions, and the drag coefficient had been computed by the numerical and Leishman-Beddoes methods. The parameters that have been used in order to compare the methods, are the maximum lift coefficient value, the angle of attack of the largest lift coefficient, the error at upstroke phase and the error at down stroke phase. The results show among the semi-empirical models; the L-B method has the highest precision to predict the lift coefficient, and although the numerical method can investigate the flow with more details, but the error percentage at the down stroke phase is higher than expectations. The results from the drag coefficient modeling show that the numerical method can predict this coefficient better than the L-B method. The results also can help other researchers to select the best dynamic stall model in order to investigate the wind-turbine aerodynamics.

کلیدواژه‌ها English

Dynamic stall
Wind turbine airfoil
Semi-Empirical models
CFD
[1] C. P. Butterfield, Aerodynamic pressure and flow-visualization measurement from a rotating wind turbine blade, Eighth ASME Wind Energy Symposium, Houston, Texas, 1989.
[2] P. Liu, G. Yu, X. Zhu, Z. Du, Unsteady aerodynamic prediction for dynamic stall of wind turbine airfoils with the reduced order modeling, Renewable Energy, Vol. 69, No. 1, pp. 402-409, 2014.
[3] J. G. Leishman, T. Beddoes, A Semi‐Empirical model for dynamic stall, Journal of the American Helicopter Society, Vol. 34, No. 3, pp. 3-17, 1989
[4] C. Tran, D. Petot, Semi-empirical model for the dynamic stall of airfoils in view of the application to the calculation of responses of a helicopter blade in forward flight, 6 th European Rotorcraft and Powered Light Aircraft Forum, Amsterdam, Netherlands, 1980.
[5] H. Snel, Heuristic modelling of dynamic stall characteristics, European Wind Energy Conference, Dublin, Ireland, 1997.
[6] S. Gupta, J. G. Leishman, Dynamic stall modelling of the S809 aerofoil and comparison with experiments, Wind Energy, Vol. 9, No. 6, pp. 521-547, 2006.
[7] R. Pereira, G. Schepers, M. D. Pavel, Validation of the Beddoes–Leishman dynamic stall model for horizontal axis wind turbines using MEXICO data, Wind Energy, Vol. 16, No. 2, pp. 207-219, 2013.
[8] E. M. Gaertner, M. A. Lackner, Modeling dynamic stall for a free vortex wake model, Wind Engineering, Vol. 39, No. 6, pp. 675-691, 2015.
[9] A. Ebrahimi, M. Sekandari, Aero elastic response of horizontal-axis wind turbine in sudden wind gusts based on Unsteady Blade Element Momentum method, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 8, pp. 177-184, 2016. (in Persian فارسی(
[10] K. Gharali, D. A. Johnson, Dynamic stall simulation of a pitching airfoil under unsteady freestream velocity, Journal of Fluids and Structures, Vol. 42, No. 1, pp. 228-244, 2013.
[11] H. Hafizi-Rad, M. Behbahani-Nejad, S. S. Bahrainian, P. Tabibi, 3D analysis of the boundary layer on wind turbine blades, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 3, pp. 119-128, 2014. (In Persian فارسی(
[12] K. Gharali, D. A. Johnson, Numerical modeling of an S809 airfoil under dynamic stall, erosion and high reduced frequencies, Applied Energy, Vol. 93, No. 1, pp. 45-52, 2012.
[13] R. R. Ramsay, M. J. Hoffmann, , G. M. Gregorek, Effects of Grit Roughness and Pitch Oscillations on the S825 Airfoil, United States: National Renewable Energy Lab, 1998.
[14] T. Theodorsen, W. Mutchler, General Theory of aerodynamic Instability and the Mechanism of Flutter, pp. 1-26, United States: NACA, 1935.
[15] B. Thwaites, R. Street, Incompressible aerodynamics, Physics Today, Vol. 13, No. 12, pp. 60, 1960.
[16] F. R. Menter, Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications, AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, pp. 1598-1605, 1994.
[17] X. Cai, R. Gu, P. Pan, J. Zhu, Unsteady aerodynamics simulation of a fullscale horizontal axis wind turbine using CFD methodology, Energy Conversion and Management, Vol. 112, No. 1, pp. 146-156, 2016.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 3
خرداد 1397
صفحه 282-290