مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی و مطالعه پارامتری یک توربین بادی دوباله نوسان‌کننده

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه آیرودینامیک، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران
چکیده
حرکت پیچشی و انتقالی همزمان یک ایرفویل در معرض جریان هوا می‌تواند همچون یک توربین بادی از جریان ورودی انرژی دریافت نماید. این امر در صورتی امکان‌پذیر است که پارامترهای موثر بر عملکرد این توربین به‌صورت مناسبی انتخاب شده باشند. در این تحقیق جریان غیردایم دوبُعدی حول یک توربین بادی دوباله با حرکت متقارن با استفاده از نرم‌افزار تجاری FLUENT مورد بررسی قرار گرفته است. به‌منظور شبیه‌سازی حرکت پیچشی- انتقالی ایرفویل نوسان‌کننده از شبکه‌ای دینامیک یا متحرک استفاده شده است. با بررسی پارامترهای مختلف هندسی، حرکتی و لزج، ضمن بررسی تاثیر هر یک از این پارامترها، نقشه راندمان دریافت انرژی در بازه گسترده‌ای از فرکانس‌ها و دامنه‌های پیچشی برای ایرفویل ناکا ۰۰۱۵ در رینولدز ۴۱۰۰، ترسیم شده است. نتایج مطالعه پارامتری نشان می‌دهد که پارامترهای مربوط به حرکت همچون دامنه حرکت انتقالی و فرکانس، تاثیر بسزایی روی عملکرد ایرفویل دارد، در حالی که پارامترهای هندسی از درجه اهمیت کمتری برخورداند. همچنین نتایج تحقیق در رابطه با ایرفویل دوباله در مقایسه با حالت تک‌باله نشان می‌دهد که استفاده از این ترکیب میتواند راندمان سیستم را تا ۷% افزایش دهد و به مقدار قابل توجه ۴۹% برساند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Simulation and Parametric Study of an Oscillating Twin-Wing Wind Generator

نویسندگان English

H. Alisadeghi
H. Safipour
H. Rezaiefard
Aerodynamics Department, Aerospace Engineering Faculty, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

An airfoil that is heaving and pitching simultaneously may extract energy from an oncoming flow, acting as a turbine. The extracting energy from a flow is possible if the effective parameter in performance of turbine is selected properly. In this study, the theoretical performance of an oscillating twin-wing wind generator is investigated through unsteady two-dimensional laminar-flow simulations, using the commercial computational fluid dynamics code FLUENT. Computations By examining various geometric, motor, and slippery parameters and investigating the effect of each of these parameters, we present a mapping of power-extraction efficiency in the frequency and pitching amplitude domain for a NACA 0015 airfoil at a Reynolds number of 41000. Results of a parametric study show that motion-related parameters such as heaving amplitude and frequency have a strong effect on airfoil performances, whereas geometry parameters turn out to play a secondary role. A power extraction efficiency of 49% is reached by twin-wing parallel configuration. This configuration improve the efficiency by around 7% as compared to the single foil configuration.

کلیدواژه‌ها English

Oscillating airfoil
Pitching Motion
Heaving Motion
Power Extraction Regime
Twin-Wing Wind Generator
1- McKinney W, DeLaurier J. Wingmill: An oscillating-wing windmill. Journal of Energy. 1981;5(2):109-115. [Link] [DOI:10.2514/3.62510]
Kinsey T, Dumas G. Testing and analysis of an oscillating hydrofoils turbine concept. ASME 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting collocated with 8th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, 1-5 August, 2010, Montreal, Quebec, Canada. New York: American Society of Mechanical Engineers; 2010. [Link] [DOI:10.1115/FEDSM-ICNMM2010-30869]
Kinsey T, Dumas G, Lalande G, Ruel J, Mehut A, Viarouge P, et al. Prototype testing of a hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils. Renewable Energy. 2011;36(6):1710-1718. [Link] [DOI:10.1016/j.renene.2010.11.037]
Xiao Q, Zhu Q. A review on flow energy harvesters based on flapping foils. Journal of Fluids and Structures. 2014;46:174-191. [Link] [DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2014.01.002]
Peng Z, Zhu Q. Energy harvesting through flow-induced oscillations of a foil. Physics of Fluids. 2009;21(12):123602. [Link] [DOI:10.1063/1.3275852]
Kinsey T, Dumas G. Parametric study of an oscillating airfoil in a power-extraction regime. AIAA Journal. 2008;46(6):1318-1330. [Link] [DOI:10.2514/1.26253]
Dumas G, Kinsey T. Eulerian simulations of oscillating airfoils in power extraction regime. WIT Transactions on Engineering Science. 2006;52:245-254. [Link] [DOI:10.2495/AFM06025]
Kinsey T, Dumas G. Computational fluid dynamics analysis of a hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils. Journal of Fluids Engineering. 2012;134(2):021104. [Link] [DOI:10.1115/1.4005841]
Kinsey T, Dumas G. Three-dimensional effects on an oscillating-foil hydrokinetic turbine. Journal of Fluids Engineering. 2012;134(7):071105. [Link] [DOI:10.1115/1.4006914]
Kinsey T, Dumas G. Optimal operating parameters for an oscillating foil turbine at Reynolds number 500,000. AIAA Journal. 2014;52(9):1885-1895. [Link] [DOI:10.2514/1.J052700]
Lefrançois J. Optimizing the efficiency of a multi-wing turbine using a Lagrangian vortex particle method [Dissertation]. Quebec: Laval University; 2008. [French] [Link]
Kinsey T, Dumas G. Optimal tandem configuration for oscillating-foils hydrokinetic turbine. Journal of Fluids Engineering. 2012;134(3):031103. [Link] [DOI:10.1115/1.4005423]
Kim J, Quang Le T, Ko JH, Sitorus PE, Tambunan IH, Kang T. Experimental and numerical study of a dual configuration for a flapping tidal current generator. Bioinspiration Biomimetics. 2015;10(4):046015. [Link] [DOI:10.1088/1748-3190/10/4/046015]
Jones KD, Lindsey K, Platzer MF. An investigation of the fluid-structure interaction in an oscillating-wing micro-hydropower generator. In: Chakrabarti SK, Brebbia CA, Almorza D, Gonzalez-Palma R, editors. Fluid structure interaction. Southampton: WIT Press; 2003. [Link]
Zhu Q, Peng Z. Mode coupling and flow energy harvesting by a flapping foil. Physics of Fluids. 2009;21(3):033601. [Link] [DOI:10.1063/1.3092484]
Zhu Q. Optimal frequency for flow energy harvesting of a flapping foil. Journal of Fluid Mechanics. 2011;675:495-517. [Link] [DOI:10.1017/S0022112011000334]
Simpson BJ. Experimental studies of flapping foils for energy extraction [Dissertation]. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology; 2009. [Link]
Belyayev VV, Zuyev GV. Hydrodynamic hypothesis of school in fishes. Problems of Ichthyology. 1969;9:578-584. [Link]
Zhu Q, Wolfgang MJ, Yue DKP, Triantafyllou MS. Three-dimensional flow structures and vorticity control in fish-like swimming. Journal of Fluid Mechanics. 2002;468:1-28. [Link] [DOI:10.1017/S002211200200143X]
Deng J, Shao XM, Yu ZS. Hydrodynamic studies on two traveling wavy foils in tandem arrangement. Physics of Fluids. 2007;19(11):113104. [Link] [DOI:10.1063/1.2814259]
Aziz H, Mukherjee R. Vortex interaction and roll-up in unsteady flow past tandem airfoils. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2016;9(6):3087-3100. [Link] [DOI:10.29252/jafm.09.06.24439]
Pourmostafa M, Ghadimi P. Investigating the interaction of two oscillating foils in tandem arrangement, using 3D unsteady boundary element method. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2018;40:412. [Link] [DOI:10.1007/s40430-018-1323-1]
Ashraf MA, Young J, Lai JCS, Platzer MF. Numerical analysis of an oscillating-wing wind and hydropower generator. AIAA Journal. 2011;49(7):1374-1386. [Link] [DOI:10.2514/1.J050577]
Liu W, Xiao Q, Cheng F. A bio-inspired study on tidal energy extraction with flexible flapping wings. Bioinspiration and biomimetics. 2013;8(3):036011. [Link] [DOI:10.1088/1748-3182/8/3/036011]
Wu J, Shu C, Zhao N, Yan W. Fluid dynamics of flapping insect wing in ground effect. Journal of Bionic Engineering. 2014;11(1):52-60. [Link] [DOI:10.1016/S1672-6529(14)60019-6]