مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی اثر عملگر پلاسما تخلیه سد دی‌الکتریک بر کنترل جدایش جریان اطراف مقطع بحرانی پره توربین باد

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه هوافضا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
توربین‌های باد یکی از مهم‌ترین تجهیزات تولید انرژی تجدیدپذیر بوده و بهبود راندمان آنها منجر به بهره‌وری بیش‌ازپیش از انرژی‌های پاک می‌شود. از جمله مشکلات عمده در کاربرد توربین‌های باد وقوع پدیده جدایش جریان بر روی پره توربین است. در مقاله حاضر، اثر عملگر پلاسما تخلیه سد دی‌الکتریک بر روی کنترل جدایش جریان اطراف یک مقطع بحرانی پره توربین برق- بادی ۶۶۰کیلووات طراحی‌شده در داخل ایران مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، آزمون تجربی جهت صحت‌سنجی و اطمینان از دقت مدل‌سازی‌ها صورت پذیرفت. پس از حصول انطباق قابل قبول، شبیه‌سازی‌های عددی دوبعدی با وجود عملگر پلاسما در شرایط عملکردی و زوایای حمله مختلف انجام گرفت. در مدل‌سازی عددی عملگر از اخیرترین مدل الکتروستاتیک ارتقایافته استفاده شده است. جریان عبوری از روی ایرفویل تراکم‌ناپذیر و سرعت جریان آزاد ۲۰متر بر ثانیه و مکان نصب عملگر در لبه حمله ایرفویل است. نتایج به‌دست‌آمده حاکی از تاثیر قابل ملاحظه فرکانس و ولتاژ عملگر بر ضرایب برآ و پسا و راندمان آیرودینامیکی ایرفویل است. با افزایش فرکانس و ولتاژ و در نتیجه القای جریان و افزایش مومنتم داخل لایه مرزی بازیافت فشار در ناحیه ویک بهتر صورت گرفته و نقطه جدایش به تعویق می‌افتد. روند خطی بین تاثیر فرکانس بر تغییر ضرایب آیرودینامیکی ملاحظه شد. همچنین بهبود راندمان آیرودینامیکی در این مطالعه بیشتر از ۸۰۰% و جابه‌جایی نقطه جدایش تا حدود ۵۰% طول وتر حاصل شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of Single Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator Effect on Separation Control of a Critical Section of Wind Turbine Blade

نویسندگان English

M. Fadaei 1
A. Davari 1
F. Sabetghadam 1
M.R. Soltani 2
1 Aerospace Engineering Department, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Aerospace Engineering Faculty, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Wind turbines are one of the most important renewable energy production devices and improving their efficiency leads to more effective exploitation of clean energies. Flow separation on wind turbine blade is one of the major reasons of performance loss in wind turbines. The present paper investigates the effect of single dielectric barrier discharge plasma actuator (SDBD) placement on a critical section of wind-electric wind turbine blade (660kW)) designed inside country. An experimental investigation for assuring the validity of the numerical simulations has been performed. Then, two dimensional simulations were extended to evaluate the effect of plasma actuator performance on flow characteristics. Numerical simulations are based on the latest enhanced electrostatic plasma actuator models. The fluid flow is incompressible and the free stream velocity is about 20m/s. The results clearly indicate that frequency and voltage increase can significantly correct the flow pattern in post stall condition. A linear pattern has been achieved between the frequency and aerodynamic coefficients variations. The best improvement for the range under investigation is more than 800% for aerodynamic performance and approximately 50% for separation point delay.

کلیدواژه‌ها English

SDBD Plasma Actuator
Frequency
Voltage
Enhanced Electrostatic Model
Moreau E, Leger L, Touchard G. Effect of a DC surface-corona discharge on a flat plate boundary layer for airflow velocity up to 25 m/s. Journal of Electrostatics. 2006;64(3):215-222. [Link] [DOI:10.1016/j.elstat.2005.05.009]
Tathiri G, Esmaeilzadeh E, Mirsajedi SM, Mahdavi Moghaddam H. Experimental investigation of why an AC dielectric barrier discharge plasma actuator is preferred to dc corona wind actuator in boundary layer flow control?. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2014;7(3):525-534. [Link] [DOI:10.36884/jafm.7.03.20378]
Shadmani S, Mousavi Nainiyan SM, Mirzaei M, Ghasemiasl R, Pouryoussefi SG. Experimental investigation of flow control over an Ahmed body using DBD plasma actuator. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2018;11(5):1267-1276. [Link] [DOI:10.29252/jafm.11.05.28600]
Zhao ZJ, Cui YD, Li JM, Zheng JG, Khoo BC. On the boundary layer using pulsed nanosecond DBD plasma actuators. Modern Physics Letters B. 2018;32(1213):1-5. [Link] [DOI:10.1142/S0217984918400353]
Kinefuchi K, Starikovskiy AY, Miles RB. Numerical investigation of nanosecond pulsed plasma actuators for control of shock-wave/boundary layer separation. Physics of Fluids. 2018;30(10):106105. [Link] [DOI:10.1063/1.5051823]
Kurz A, Grundmann S, Tropea C, Forte M, Seraudie A, Vermeersch O, et al. Boundary layer transition control using DBD plasma actuators. Journal of Aerospacelab. 2013;2(6):1-8. [Link]
Gupta AD, Roy S. Effect of plasma actuator control parameters on a transitional flow. Journal of Physics D: Applied Physics. 2018;51(13):1-13. [Link] [DOI:10.1088/1361-6463/aab030]
Jukes T, Segawa T, Walker S, Furutani H, Iki N, Takekawa S. Active separation control over a NACA0024 by DBD plasma actuator and FBG sensor. Journal of Fluid Science and Technology. 2012;7(1):39-52. [Link] [DOI:10.1299/jfst.7.39]
Mazaheri K, Omidi J, Kiani KC. Simulation of DBD plasma actuator effect on aerodynamic performance improvement using a modified phenomenological model. Computers & Fluids. 2016;140:371-384. [Link] [DOI:10.1016/j.compfluid.2016.10.015]
Huang X, Zhang X. Plasma actuators for noise control. International Journal of Aeroacoustics. 2010;9(4-5):679-704. [Link] [DOI:10.1260/1475-472X.9.4-5.679]
Roth JR. Aerodynamic flow acceleration using paraelectric and peristaltic electrohydrodynamic effects of a one atmosphere uniform glow discharge plasma. Physics of Plasmas. 2003;10:2117-2126. [Link] [DOI:10.1063/1.1564823]
Enloe CL, McLaughlin TE, VanDyken RD, Kachner KD, Jumper EJ, Corke TC. Mechanisms and responses of a single dielectric barrier plasma actuator: Plasma morphology. AIAA Journal. 2004;42(3):589-594. [Link] [DOI:10.2514/1.2305]
Thomas FO, Corke TC, Iqbal M, Kozlov A, Schatzman D. Optimization of dielectric barrier discharge plasma actuators for active aerodynamic flow control. AIAA Journal. 2009;47(9):2169-2178. [Link] [DOI:10.2514/1.41588]
Durscher R, Roy S. Evaluation of thrust measurement techniques for dielectric barrier discharge actuators. Experiments in Fluids. 2012;53(4):1165-1176. [Link] [DOI:10.1007/s00348-012-1349-6]
Benard N, Moreau E. Electrical and mechanical characteristics of surface AC dielectric barrier discharge plasma actuators applied to airflow control. Experiments in Fluids. 2014;55(1846):1-43. [Link] [DOI:10.1007/s00348-014-1846-x]
Suzen YB, Huang PG. Numerical simulation of unsteady wake/blade interactions in low-pressure turbine flows using an intermittency transport equation. Journal of Turbomachinery .2005;127(3):431-444. [Link] [DOI:10.1115/1.1860375]
Ibrahim IH, Skote M. Boundary condition modifications of the Suzen-Huang plasma actuator model. International Journal of Flow Control. 2011;3(2):111-132. [Link] [DOI:10.1260/1756-8250.3.2-3.111]
Abdollahzadeh M, Pascoa JC, Oliveira PJ. Modified split-potential model for modeling the effect of DBD plasma actuators in high altitude flow control. Current Applied Physics. 2014;14(8):1160-1170. [Link] [DOI:10.1016/j.cap.2014.05.016]
Ibrahim IH, Skote M. Effects of the scalar parameters in the Suzen Huang model on plasma actuator characteristics. International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow. 2013;23(6):1076-1103. [Link] [DOI:10.1108/HFF-05-2011-0108]
Omidi J, Mazaheri K. Improving the performance of a numerical model to simulate the EHD interaction effect induced by dielectric barrier discharge. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2017;67:79-94. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatfluidflow.2017.07.008]
Abdollahzadeh M, Pascoa J, Oliveira P. Numerical modeling of boundary layer control using dielectric barrier discharge. MEFTE IV Conferencia Nacional em Mecanica de Fluidos, Termodinamica e Energia, Lisbon, Portugal. Unknown Publisher City & Publisher. 2012. [Link]
Abdollahzadeh M, Pascoa JC, Oliveira PJ. Comparison of DBD plasma actuators flow control autorithy in different modes of actuation. Aerospace Science and Technology. 2018;78:183-196. [Link] [DOI:10.1016/j.ast.2018.04.013]
Ebrahimi A, Hajipour M. Flow separation control over an airfoil using dual excitation of DBD plasma actuators. Aerospace Science and Technology. 2018;79:658-668. [Link] [DOI:10.1016/j.ast.2018.06.019]
Ebrahimi A, Hajipour M, Ghamkhar K. Experimental study of stall control over an airfoil with dual excitation of separated shear layer. Aerospace Science and Technology. 2018;82-83:402-411. [Link] [DOI:10.1016/j.ast.2018.09.027]
Feng LH, Jukes TN, Choi KS, Wang JJ. Flow control over a NACA 0012 airfoil using dielectric barrier discharge plasma actuator with Gurney flap. Experiments in Fluids. 2012;52(6):1533-1546. [Link] [DOI:10.1007/s00348-012-1263-y]
Soltani MR, Bakhshalipour A, Seddighi M. Effect of amplitude and mean angle of attack on the unsteady surface pressure of a pitching airfoil. Journal of Aerospace Science and Technology. 2005;2(4):9-26. [Link]