مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه اثر متقابل توربین‌های باد پشت سرهم روی عملکرد یکدیگر به‌کمک الگوی دیسک عملگر

نویسندگان
عباس ابراهیمی 1
مصطفی نوذری 2
1 استادیار دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه شریف
2 دانشگاه شریف
چکیده
در این پژوهش، روش دیسک عملگر دوبعدی به‌صورت تقارن محوری با دقت قابل قبول و هزینه محاسباتی کم برای مطالعه جریان حول روتور توربین باد محور افقی و دنباله‌ی آن توسعه داده‌شده‌است. با استفاده از قابلیت UDF نرم‌افزار Fluent، کدی به زبان C برای اعمال ممنتوم مجازی به سیال نوشته شده و معادلات ناویر-استوکس با اضافه شدن عبارت نیروی حجمی به‌عنوان جمله چاه حل‌‌ می‌شوند. اعتبارسنجی روش با داده‌های توربین باد مبنای 5MW NREL انجام شده و اثر متقابل دو توربین پشت سرهم در مزرعه بادی، روی عملکرد آیرودینامیکی یکدیگر بررسی ‌شده‌است. نتایج نشان می‌دهد، حضور توربین بالادست موجب کاهش توان و تراست روتور پایین‌دست تا فاصله سه برابر قطر روتور، به‌ترتیب تا حدود %88 و %57 می‌شود. با افزایش فاصله‌ی توربین پایین‌دست از توربین بالادست تا حدود 170 برابر قطر روتور، توان و تراست شروع به بازیابی به‌سمت مقادیر توربین بالادست می‌کنند. نتایج توزیع توان در راستای شعاع پره نیز نشان می‌دهد برای روتور پایین‌دست در فواصل نزدیک به روتور بالادست، بخش میانی پره سهم بیشتری در تولید توان دارد. علاوه ‌براین، اثر روتور پایین‌دست روی عملکرد توربین بالادست به‌ترتیب تا حدود 1.5 و 0.7 درصد کاهش توان و تراست است و با افزایش فاصله، این اثر ازبین می‌رود.
کلیدواژه‌ها
توربین باد محور افقی
دیسک عملگر
مزرعه بادی
گردابه
دینامیک سیالات محاسباتی

موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating the aerodynamic interaction of wind turbines based on actuator disk model

نویسندگان English

Abbas Ebrahimi 1
Mostafa Nozari 2
2 دانشکده مهندسی هوافضا
چکیده English

In this paper, the axisymmetric actuator disk method (2D) with acceptable accuracy and low computational cost based on computational fluid dynamics have been adopted to study the flow behavior around the horizontal wind turbine rotor and the wake. For this sake, a C code is developed as a self-developed user-defined function (UDF) in commercial software package ANSYS FLUENT. The rotor is modeled as a virtual disc and its effect is added to the Navier-Stokes equations as a sink term. The results obtained for the 5 MW NREL wind turbine in this study show the appropriate accuracy and speed-up. The interaction of two wind turbines in the wind farm has been investigated. The results depict that the output power and thrust of the downstream rotor due to the presence of an upstream turbine drop up to 88% and 57%, respectively. Also, radial distribution of the downstream rotor power shows that at a closer distance, the middle part of the blade has a larger contribution to power generation. Further, the effect of downstream rotor on the upstream rotor performance is up to 1.5% and 0.7% reduction in power and thrust respectively.

کلیدواژه‌ها English

Horizontal axis wind turbine
actuator disk
wind farm
Wake
Computational Fluid Dynamics
[1] I. Pineda and P. Tardieu, “The European offshore wind industry - Key trends and statistics 2016,” Wind Eur., no. January, p. 33, 2017.
[2] M. Carrión, R. Steijl, M. Woodgate, G. N. Barakos, X. Munduate, and S. Gomez-Iradi, “Aeroelastic analysis of wind turbines using a tightly coupled CFD-CSD method,” J. Fluids Struct., vol. 50, pp. 392–415, 2014.
[3] A. Ebrahimi and M. Movahhedi, “Power improvement of a large horizontal-axis wind turbine by DBD plasma actuator,” vol. 16, no. 12, pp. 509–517, 2016.
[4] J. N. Sørensen, R. F. Mikkelsen, S. Dan, S. Ivanell, S. Sarmast, and S. J. Andersen, “Simulation of wind turbine wakes using the actuator line technique Subject Areas : Author for correspondence :,” Philos. Trans. A. Math. Phys. Eng. Sci., no. 373, 2015.
[5] A. Ebrahimi and M. Sekandari, “Aeroelastic response of horizontal-axis horizontal axis wind turbine in sudden wind gusts based on Unsteady Blade Element-Momentum Element Momentum method,” vol. 16, no. 8, pp. 177–184, 2016.
[6] J. N. Sørensen and A. Myken, “Unsteady actuator disc model for horizontal axis wind turbines,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol. 39, no. 1–3, pp. 139–149, 1992.
[7] J. N. Sørensen, W. Z. Shen, and X. Munduate, “Analysis of Wake States by a Full-Field Actuator Disc Model,” Wind Energy, vol. 1, no. 2, pp. 73–88, 1998.
[8] R. Mikkelsen, J. N. Sörensen, and W. Z. Shen, “Modelling and analysis of the flow field around a coned rotor,” Wind Energy, vol. 4, no. October, pp. 121–135, 2001.
[9] R. Mikkelsen, Actuator Disc Methods Applied to Wind Turbines. 2003.
[10] T. Kim, S. Oh, and K. Yee, “Improved actuator surface method for wind turbine application,” Renew. Energy, vol. 76, pp. 16–26, 2015.
[11] E. Mahmoodi, A. Jafari, and A. Keyhani, “Wind turbine rotor simulation via CFD based actuator disc technique compared to detailed measurement,” Int. J. Renew. Energy Dev., vol. 4, no. 3, p. 205, 2015.
[12] A. Behrouzifar, G. E. Schneider, M. Darbandi, and G. E. Schneider, “Numerical Investigation of Actuator Disc Thickness Effect on Predicting the Performance and Far Wake of the Horizontal Axis Wind Turbine,” in ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2015, p. V001T01A042-V001T01A042.
[13] M. Boojari, E. Mahmoodi, A. A. Nejad, and S. Sarmast, “MODELING THE WAKE OF MEXICO EXPERIMENT’S WIND TURBINE USING ELLIPTIC FORCE DISTRIBUTION IN ACTUATOR-LINE METHOD IN OPEN FOAM,” vol. 16, no. 9, pp. 77–86, 2016.
[14] M. Darbandi, A. Behrouzifar, R. Jalali, and G. E. Schneider, “Megawatt Wind Turbine Far Wake and Performance Predictions Using the Unsteady Actuator Line Model,” in 34th Wind Energy Symposium, 2016, p. 1519.
[15] J. Jonkman, S. Butterfield, W. Musial, and G. Scott, “Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development,” Contract, no. February, pp. 1–75, 2009.
[16] N.Ramos- García, J. N. Sørensen, W. Z. Shen, N. Ramos-García,J.N.Sørensen, and W. Z. Shen,Validation of a three-dimensional viscous–inviscid interactive solver for wind turbine rotors, Renew. Energy, vol. 70, pp.78–92, 2014
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 6
مهر 1397
صفحه 105-112