مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تاثیر شیار بر کاهش جدایش جریان ایرفویل توربین بادی با استفاده از مدل توربولانسی DES

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
محمد مشفقی 1
شاهرخ شمس 1
مرتضی رمضانی 1
نم‌کان هور 2
1 گروه هوافضا، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 گروه حرارت، سیالات و انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سوگنگ، سئول، کره جنوبی
چکیده
توان تولیدی توربین باد متاثر از عملکرد آیرودینامیکی پره توربین است و یکی از پدیده‌هایی که سبب اُفت نیرو برآ و به دنبال آن کاهش توان خروجی توربین باد می‌شود جدایش جریان است. در توربین بادی محور افقی معمولاً قسمت‌های ریشه و میانی یک‌پره در زاویه حمله بالاتری قرار می‌گیرند و جدایش جریان بیشتری را تجربه می‌کنند. به همین دلیل از روش‌های کنترل جریان برای تضعیف ناحیه جدایش یا به تعویق انداختن آن استفاده می‌شود. این مقاله با شبیه‌سازی سه‌بعدی با مدل توربولانسی DES، اثرات آیرودینامیکی کنترل جریان از طریق ایجاد شکاف در ایرفویل S۸۰۹ و میزان تاثیر این روش کنترل غیرفعال جریان را بررسی می‌کند. ایجاد شیار در ایرفویل سبب می‌شود تا جریان از ناحیه پرفشار در قسمت زیرین ایرفویل به سطح بالایی و محل جدایش جریان دمیده شود. انرژی توسط هوای با تکانه بالاتر به درون بخش جدایش‌یافته تزریق شده و بدین طریق جدایش تضعیف می‌شود. نتایج نشان می‌دهند که عملکرد کلی این روش به برخی از پارامترها از جمله محل مدخل ورودی و خروجی شیار روی سطح کم‌فشار و پرفشار، زاویه دمیده‌شدن جریان نسبت به جریان آزاد ورودی و ضخامت شیار ایجاد شده بستگی دارد. در این مقاله دو هندسه مختلف برای ایرفویل شکاف‌دار و برای هر یک چهار ضخامت شیار ۰/۵، ۱، ۲ و ۴ % از طول وتر انتخاب شده و در زوایای حمله صفر تا ۲۵ مورد بررسی قرار گرفته است و مقادیر نیروی برآ و نیز کاهش بخش جدایش یافته مقایسه شده است. نتایج دو هندسه مختلف برای ایرفویل شکاف‌دار نشان می‌دهند که با توجه به محل قرارگیری انتهای شکاف روی سطح بالایی ایرفویل، شیارهایی با ضخامت ۲ و ۴% از وتر، از دو خانواده ایرفویل بررسی شده می‌تواند نیروی برآ بیشتری تولید کند. بررسی‌ها برای این دو شیار در قسمتی از زوایای حمله که جریان جدا یافته است (زاویه حمله‌های ۱۷، ۲۰، ۲۲ و ۲۵درجه)، میانگین افزایش ضریب برآ ۶۸/۵ و ۵۵/۸% را نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
کنترل غیرفعال جریان
ایرفویل شیاردار S809
توربین باد
جدایش جریان

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Split on Flow Separation Reduction of Wind Turbine Airfoil using DES Turbulence Model

نویسندگان English

M. Moshfeghi 1
Sh. Shams 1
M. Ramezani 1
N. Hur 2
1 Aerospace Engineering Department, Faculty of New Sciences & Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Thermal, Fluids & Energy, Faculty of Mechanical Engineering, Sogang University, Seoul, Korea
چکیده English

A horizontal axis wind turbine power generation depends upon the aerodynamic performance of its blades. Flow separation is one of the phenomena that causes power loss and consequently decreasing the wind turbine output generation. Since usually the local angle of attack in the inner and middle parts of a blade is much greater than the local angle of attack in the separation onset, the blade section encounters a highly separated flow. Hence, flow control methods are applied in order to reduce or weaken the negative effects of the separation. This paper investigates the effects of the passive flow control method for a horizontal axis wind turbine using validated three-dimensional DES (detached eddy simulation) on an S809 split airfoil. The split in the airfoil thickness causes the flow from the high-pressure zone under the lower surface is injected into the separated area over the upper surface, transporting external energy to the separated zone, hence weakening the separated area. As the result show, the overall performance of this method depends on parameters such as split locations on the airfoil pressure and suction surfaces, the direction of the jet flow with respect to the freestream wind and also the thickness of the split. In this research, two different split locations and four thickness values of 0.5, 1, 2 and 4 percent of chord length are simulated at a range of AOA from 0 to 25 degrees. Noticeably, the results demonstrate that for an appropriate split exit location, the thickness value of 2 and 4 percent of the chord are generated more lift force. The average increase of lift coefficient for these split airfoils at a high angle of attack (17, 20, 22 and 25) are 68.5 and 55.8 percent respectively.

کلیدواژه‌ها English

Passive flow Control
S809 Split Airfoil
Wind turbine
Flow Separation
International Energy Agency. World energy outlook 2013 [Report]. France: International Energy Agency; 2013 November. [Link]
Jonkman JM. Modeling of the UAE wind turbine for refinement of fast-AD [Report]. Golden, Colorado: National Renewable Energy Laboratory; 2003 December. [Link] [DOI:10.2172/15005920]
Bagheri E, Nejat A. Numerical aeroelastic analysis of wind turbine NREL phase VI rotor. Energy Equipment and Systems. 2015;3(1):45-56. [Persian] [Link]
Bai YL, Ma XY, Ming X. Lift enhancement of airfoil and tip flow control for wind turbine. Applied Mathematics and Mechanics. 2011;32(7):825-836. [Link] [DOI:10.1007/s10483-011-1462-8]
Vesel RW, McNamara JJ. Performance enhancement and load reduction of a 5 MW wind turbine blade. Renewable Energy. 2014;66:391-401. [Link] [DOI:10.1016/j.renene.2013.12.019]
Maldonado V, Castillo L, Thormann A, Meneveau C. The role of free stream turbulence with large integral scale on the aerodynamic performance of an experimental low Reynolds number S809 wind turbine blade. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015;142:246-257. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2015.03.010]
Moshfeghi M, Song YJ, Xie YH. Effects of near-wall grid spacing on SST-K-ω model using NREL phase VI horizontal axis wind turbine. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2012;107-108:94-105. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2012.03.032]
Moshfeghi M, Lu K, Xie YH. A new method for horizontal axis wind turbine angle of attack determination. Applied Mechanics and Materials. 2013;291-294:425-428. [Link] [DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.291-294.425]
Gad-el-Hak M. Flow control: Passive, active, and reactive flow management. Cambridge: Cambridge University Press; 2009. [Link]
Moshfeghi M, Hur N. Effects of SJA boundary conditions on predicting the aerodynamic behavior of NACA 0015 airfoil in separated condition. Journal of Mechanical Science and Technology. 2015;29(5):1829-1836. [Link] [DOI:10.1007/s12206-015-0403-8]
Suzen Y, Huang G, Jacob J, Ashpis D. Numerical simulations of plasma based flow control applications. 35th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit 6-9 June 2005, Toronto, Ontario, Canada. Reston: AIAA; 2012. [Link] [DOI:10.2514/6.2005-4633]
Cerretelli C, Gharaibah E, Toplack G, Gupta A, Wuerz W. Unsteady separation control for wind turbine applications at full scale Reynolds number. 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 5-8 January 2009, Orlando, Florida. Reston: AIAA; 2012. [Link] [DOI:10.2514/6.2009-380]
Gilarranz JL, Traub LW, Rediniotis OK. A new class of synthetic jet actuators-part II: Application to flow separation control. Journal of Fluids Engineering. 2005;127(2):377-387. [Link] [DOI:10.1115/1.1882393]
Moshfeghi M, Hur N. Effects of synthetic jet actuator exit location on aerodynamics of S809 airfoil at high angle of attack. 2013;10:50-54. [Link]
Lim JW, Yeo H. Application of a slotted airfoil for UH-60A helicopter performance. American Helicopter Society Aerodynamics, Acoustics, and Test and Evaluation Technical Specialist Meeting; 2002, Journay 23-25, San Fransisco. Washington D.C: NASA. [Link]
Buhl T, Andersen PB, Barlas TK. 2D numerical comparison of trailing edge flaps-UpWind WP1B3 [Report]. Roskilde: Risø National Laboratory; 2007. [Link]
Ragheb A, Selig M. Multi-element airfoil configurations for wind turbines. Proceeding of the 29th AIAA Applied Aerodynamics Conference; 2011 June 27-30; Honolulu. [Link] [DOI:10.2514/6.2011-3971]
Ramzi M, AbdErrahmane G. Passive control via slotted blading in a compressor cascade at stall condition. Journal of Applied Mechanics. 2013;6(4):571-580. [Link]
Moshfeghi M, Hur N. Numerical investigation on the Coanda effect over the S809 airfoil with synthetic jet actuator at high angle of attack. ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting; 2014 August 3-7; Chicago, Illinois, USA. New York: ASME; 2014. [Link] [DOI:10.1115/FEDSM2014-21857]
Hattori H, Umehara T, Nagano Y. Comparative study of DNS, LES and hybrid LES/RANS of turbulent boundary layer with heat transfer over 2d hill. Flow, Turbulence Combustion. 2013;90(3):491-510. [Link] [DOI:10.1007/s10494-013-9450-3]
Moshfeghi M, Shams S, Hur N. Aerodynamic performance enhancement analysis of horizontal axis wind turbines using a passive flow control method via split blade. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017;167:148-159. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2017.04.001]
Vyas S. ANSYS meshing user's guide [Internet]. [cited 2019 May 8]. Available from: https://www.academia.edu/27974461/ANSYS_Meshing_Users_Guide [Link]
Shur M, Spalart PR, Strelets M, Travin A. Detached-eddy simulation of an airfoil at high angle of attack. Engineering Turbulence Modelling and Experiments 4. Proceedings of the 4th International Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements; 1999, May 24-26; Ajaccio, Corsica: 669-678 [Link] [DOI:10.1016/B978-008043328-8/50064-3]
CD-Adabco. STAR-CCM+ Ver 11.02.009 user guide/ theory manual [Internet]. 2014. [cited 2019 May 8]. Available from: Not Found [Link]
Moshfeghi M, Xie Y. CFD investigation of effects of wind tunnel walls on flow properties over S809 airfoil. AIP conference proceedings. 2013;1547(1):10.1063/1.4816926. [Link] [DOI:10.1063/1.4816926]
Moshfeghi M, Hur N. Numerical study on the effects of a synthetic jet actuator on S809 airfoil aerodynamics at different flow regimes and jet flow angles. Journal of Mechanical Science and Technology. 2017;31(3):1233-1240. [Link] [DOI:10.1007/s12206-017-0222-1]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 20، شماره 2
بهمن 1398
صفحه 381-390