توربین بادی لیام (Liam F1)، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه توربین بادی لیام F1

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی توربین بادی لیام (Liam F1) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

در حال حاضر، کارآمدترین طرح‌های توربین بادی برای نصب در منازل مسکونی مناسب نیستند. آنها به ارتفاع کافی برای گرفتن باد نیاز دارند تا هر گونه فایده‌ای داشته باشند و پس از آن شکایاتی از سر و صدا وجود دارد. همچنین، برخورد پرندگان می‌تواند باعث نگرانی شود، مانند مزارع بادی در مقیاس بزرگ.

کاهش مقیاس توربین‌های بادی به حل این مشکلات کمکی نمی‌کند. بنابراین سیستم‌های مسکونی یک امر عجیب و غریب باقی می‌مانند.

با این حال، اخیراً یک طراحی کاملاً جدید از توربین بادی در مقیاس کوچک به نام توربین بادی شهری لیام (Liam-F1) می‌تواند تقریباً با 80 درصد حد بتز (Betz) یا 47.4 درصد راندمان کلی کار کند؛ به طوری که بیان می‌کند که حداکثر بازده نظری هر توربین بادی تنها 59.3 درصد است.

توربین‌های بادی تجاری حداکثر 50 درصد از حد بتز یا فقط 29.7 درصد راندمان را دارند. با توجه به این ویژگی‌های منحصر به فرد، در این مطالعه از CFD برای ارزیابی این نوع ارزیابی توربین در یک موقعیت تونل باد دلخواه استفاده شده است.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی شده است. هندسه شامل یک ناحیه دوار برای دیواره‌های توربین و یک ناحیه ثابت برای بقیه دامنه محسباتی است.

مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شد. همچنین برای محاسبه دقیق لایه مرزی، 5 لایه منشوری در مجاورت دیواره‌های تونل باد و بدنه توربین اضافه شد. تعداد سلول‌های ایجاد شده برابر با شبکه بندی برابر با 1249235 است.

همچنین با توجه به ماهیت مسئله حاضر، حلگر گذرا (transient) یا حالت ناپایای زمانی (unsteady) فعال شده است.

روش‌های استفاده شده

برای مطالعه یک توربین بادی محور افقی (HAWT)، باید معادلات جریان را به صورت دیفرانسیل حل کرد.

با فرض شرایط هم‌دما، تراکم ناپذیر و حالت پایای زمانی برای هوای اطراف پره‌ها، دو نیرو به نام کوریولیس (Coriolis) شناخته می‌شوند، و شتاب‌های مرکزگرا ترم‌های منبع مهمی (source term) هستند که بر المان‌های جریان اعمال می‌شوند.

به طور خلاصه، معادلات جرم و مومنتوم حاکم به صورت زیر نوشته می‌شود:

علاوه براین، از تکنیک قاب متحرک (Frame Motion) برای مدل‌سازی حرکت چرخشی توربین استفاده شده است. با استفاده از این تکنیک، نیازی به تعریف مرز مشترک (interface) بین ناحیه محسباتی ثابت و دوار نیست.

این تکنیک حرکت توربین را با چرخاندن جریان درون دامنه دوار شبیه سازی می‌کند، و هزینه محاسباتی مدل‌سازی چنین مسائلی را کاهش می‌دهد. دامنه محاسباتی چرخشی با سرعت چرخشی 300 RPM می‌چرخد.

علاوه براین، میدان جریان کاملاً متلاطم (turbulent) است. بنابراین، مدل توربولانسی k-w-SST را برای ارزیابی گردابه‌ها (eddy) انتخاب می‌کنیم.

مدل ذکر شده به دلیل یک فرمول ترکیبی که از اثرات دیواره و نرخ کرنش جریان هسته مراقبت می‌کند، از هر تغییر ویسکوزیته گردابی (eddy-viscosity) دقیق‌تر بوده است. هوا با سرعت 3 متربرثانیه وارد دامنه محاسباتی می‌شود و از روی توربین طراحی شده عبور می‌کند.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به سرعت، فشار و خطوط جریان (streamline) به دست می‌آید.

همان‌طور که در کانتور فشار روی سطوح پره‌های توربین نشان داده شده است، لبه جلویی دیواره توربین از شیب فشار بالاتری رنج می‌برد، که امر منطقی است؛ زیرا سرعت به تازگی به صفر رسیده است.

ما کانتور و خطوط جریان ساده را برای میدان سرعت ارائه می‌کنیم تا بینشی نسبت به مسئله ارائه کنیم. به طور خلاصه، میدان سرعت مجاور دیواره توربین دارای بالاترین گرادیان است و موجی که از آن به وجود می‌آید، بسیار در پشت بدنه پرنده کشیده می‌شود. این امر را می‌توان دوباره از طریق بردارهای (vector) سرعت مشاهده کرد.

علاوه براین، بردارهای خطوط جریان، کیفیت جریان‌های حل شده در بخش ویک (wake)، نشان داده شده در شکل، که چالش اصلی شبیه سازی آیرودینامیکی است، را نشان می‌دهد. درنهایت، نیروی پسا (drag) معادل 0.14 (N) را محاسبه می‌کنیم که برای توربین با مشخصات ذکر شده دقیق است.