مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه عددی توربین داریوس با استفاده از مدل شش درجه آزادی برای درنظرگرفتن اثر اینرسی و برهم‌کنش میان سیال و جسم صلب

نویسندگان
1 دانشگاه فردوسی مشهد
2 استاد عضو هیئت علمی دانشگاه فردوسی مشهد
3 دانشگاه مهندسی فناوری‌های نوین
چکیده
توربین بادی داریوس برخلاف توربین‌های محورافقی با مشکل خود راه‌اندازی و نوسان بالا در گشتاور خروجی مواجه است. محاسبه شتاب و گشتاور نوسانی توربین‌های بادی محورعمودی، به دلیل نیاز به تکنیک‌های مبتنی بر شبکه‌بندی و حل همزمان معادلات اویلری حاکم بر جریان سیال و معادلات لاگرانژی حاکم بر بدنه صلب توربین، از پیچیدگی و محاسبات بالایی برخوردار بوده و تابعی از ممان اینرسی توربین است. اما در بیشتر مطالعات پیشین بدون توجه به این اثر، سرعت زاویه‌ای توربین ثابت فرض شده است. در این مطالعه با محاسبه برآیند نیروهای آیرودینامیکی ناشی از باد و نیروهای خارجی ناشی از اصطکاک و ژنراتور، از قانون دوم نیوتن، شتاب، و با انتگرال‌گیری از آن در گام‌های زمانی، سرعت و موقعیت توربین محاسبه می‌شود. معادلات حاکم بر سیال بر اساس روش حجم محدود گسسته و توسط الگوریتم پیزو حل شده است. شبیه‌سازی به‌صورت غیرپایا و از شبکه پویا برای بررسی حرکت روتور استفاده شده است. نتایج توانسته اثر متقابل جریان باد و تیغه‌های صلب در روند افزایش سرعت توربین را بررسی و حرکت روتور را از لحظه سرعت صفر تا زمانی که توربین به سرعت حدی خود می‌رسد شبیه‌سازی کند. علل کاهش گشتاور در سرعت دورانی پایین‌تر از حد بهینه بررسی و نشان داده شده واماندگی بالا و گریز جریان از داخل روتور بدون برخورد با تیغه‌ها، در سرعت‌های دورانی پایین، موجب افت توان تولیدی می‌شود. ممان اینرسی نقش مهمی بر فرکانس و دامنه‌ی سرعت زاویه‌ای، نوسانات گشتاور خروجی و توان خروجی توربین داشته که در تحلیل پدیده خستگی از اهمیت زیادی برخوردار است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Numerical simulation of darrieus wind turbine Using 6DOF model to consider the effect of inertia and the fluid-solid interaction

نویسندگان English

Alireza Arab Golarche 1
Mohammad Moghiman 2
Seyyed Mohammad Javadi MalAbad 3
1 Ferdowsi University Of Mashhad
3 Quchan University of Advanced Technology
چکیده English

Unlike HAWT, Darrieus wind turbines is faced with the self-start problem and high fluctuations at output torque. Because of the need for techniques based on meshing and coupling Eulerian fluid equations and the Lagrangian equations for moving rigid body, the calculation of rigid body acceleration and fluctuations torque of VAWT is very complicated and it is a function of the moment of inertia of the turbine. In most studies, regardless of this effect, the angular velocity of turbine is assumed to be fixed. In this study, for calculating the turbine rotational speed and position, the sum of wind-driven aerodynamic forces and external forces caused by friction and generators are calculated and placed into Newton's second law to calculate the acceleration, and integrating it in time steps. The simulation is performed unsteady and dynamic mesh is used for moving the rotor. The results could check the interaction between wind and rigid blades on the in the process of increasing the rotational speed of turbine, and simulate the rotor from the moment of rest until the turbine reaches its final rotational speed. The causes of reduction in torque at low rotational speed is investigated and it has been shown that high dynamic stall and passing high exergy flow into the rotor without interaction with blades results the power reduction. Moment of inertia has significant impact on the frequency and amplitude of rotational velocity, fluctuations of output torque and output power, which is important in mechanical analysis of blades’ fatigue.

کلیدواژه‌ها English

CFD
6DOF
VAWT
Fluid–solid interaction
Moment of inertia