Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13751
Title: Υπολογιστική μελέτη της επίδρασης του ρυθμού βροχόπτωσης στην αεροδυναμική απόδοση του στροφείου τριπτέρυγου ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα
Other Titles: Computational study on the effect of rainfall rate on the aerodynamic performance of a three - bladed horizontal axis wind turbine.
Authors: Πυλαρινός, Δημήτριος
Keywords: Αεροδυναμική
Ανεμοκινητήρες
Ρευστοδυναμική
Keywords (translated): Computational Fluid Dynamics (CDF)
Abstract: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης του ρυθμού βροχόπτωσης στην αεροδυναμική συμπεριφορά ενός ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα με την βοήθεια εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics – CFD), του ANSYS Fluent και χρήση των μοντέλων SST k-ω για τον υπολογισμό της τύρβης και Discrete Phase Model για τον υπολογισμό της διφασικής ροής. Στην εισαγωγή, γίνεται μία σύντομη αναφορά στα πλεονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και στα χαρακτηριστικά των δύο βασικών τύπων ανεμοκινητήρων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζονται βασικά θεωρητικά στοιχεία για την κατανόηση του προβλήματος, όπως το οριακό στρώμα και η αποκόλλησή του, η διφασική ροή γύρω από αεροτομή και η αντίσταση της ροής. Ακόμη, στο κεφάλαιο αυτό, ορίζονται τα βασικά αεροδυναμικά μεγέθη και περιγράφεται η αεροδυναμική της αεροτομής, της πτέρυγας και του ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η δημιουργία πρότυπου πτερυγίου 40m, κατασκευασμένου από την αεροτομή NACA-4418. Αρχικά, γίνεται εύρεση της βέλτιστης γεωμετρίας με την βοήθεια του προγράμματος TTBEM και στην συνέχεια σχεδιασμός του πτερυγίου με το πρόγραμμα QBlade. Στο τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας περιγράφονται τα θεωρητικά μοντέλα υπολογιστικής επίλυσης στο λογισμικό Fluent της μονοφασικής και διφασικής ροής. Παρουσιάζονται οι εξισώσεις διατήρησης Navier-Stokes και οι βοηθητικές αυτών οι οποίες περιγράφουν πλήρως ένα ροϊκό πεδίο. Ορίζεται η τυρβώδης ροή και παρουσιάζεται το προτεινόμενο μοντέλο για την επίλυση της τύρβης σε ροή γύρω από ανεμοκινητήρα, SSΤ-k-ω. Τέλος, περιγράφονται οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την επίλυση της ροής σε κινούμενο πλαίσιο αναφοράς (Moving Reference Frame) και οι εξισώσεις των Discrete Phase και Wall-Film μοντέλων τα οποία επιλέγονται για την περιγραφή της διφασικής ροής. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του υβριδικού πλέγματος και αναφέρονται ένα προς ένα τα βήματα για την μοντελοποίηση του συστήματος στο Fluent. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για την αεροδυναμική συμπεριφορά της πτέρυγας σε μονοφασική ροή αέρα με ταχύτητα 15m/s και αριθμό ταχυστροφίας λ=6 και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα για διφασική ροή με πυκνότητες βροχόπτωσης 10, 30 και 60 g/m3. Μελετάται η μεταβολή μεγεθών όπως η στατική πίεση και η διατμητική τάση πάνω στο πτερύγιο, η γραμμική ταχύτητα λόγω περιστροφής, η εξάπλωση του φιλμ νερού πάνω στην πτέρυγα και ο συντελεστής απόδοσης Cp. Επίσης γίνεται μελέτη της επίδρασης του μεγέθους της διαμέτρου των σταγονιδίων της βροχής στον συντελεστή αεροδυναμικής απόδοσης του ανεμοκινητήρα αλλά και της κατανομής μάζας φιλμ νερού στην επιφάνεια του πτερυγίου. Για το σκοπό αυτό γίνονται επιπλέον 3 προσομοιώσεις με διάμετρο σταγονιδίων 0.5, 1 και 2 mm πυκνότητας βροχής 30 g/m3 και ταχύτητας ρευστού 15m/s.
Abstract (translated): The purpose of this thesis is to study the effect of rainfall rate on the aerodynamic performance of a horizontal axis wind turbine with the CFD code of ANSYS, Fluent and use of the SST k-ω model to calculate the turbulence and Discrete Phase Model to calculate the two-phase flow. In the introduction, a brief reference to the advantages of renewable energy sources and the characteristics of the two main types of wind turbines is made. The second chapter presents key theoretical elements for understanding the problem, such as the boundary layer and its detachment, the two-phase flow around the airfoil and the flow resistance. Also, this chapter defines the basic aerodynamic quantities and the aerodynamics of the airfoil, the wing and the horizontal axis wind turbine. The third chapter describes the creation of a prototype 40 m wind turbine blade consisting of the NACA 4418 airfoil. At first, the optimal geometry is found with the TTBEM program and then the wing is designed with the QBlade program. The fourth chapter of the work describes the theoretical models of computational solution in Fluent software of single-phase and two-phase flow. Navier-Stokes conservation equations and their auxiliaries that fully describe a flow field are presented. Then the turbulent flow is defined and the proposed model for solving the turbulence in flow around a wind turbine, the SST k-ω turbulence model. Then, the equations used to solve the flow in Moving Reference Frame and the equations of the Discrete Phase are described, as well as the Wall-Film models selected to describe the two-phase flow. The fifth chapter presents the characteristics of the hybrid meshing and outlines one by one the steps for modeling the system in FLUENT. Finally, in the sixth chapter, the results for the aerodynamic behavior of the wing in single-phase 15m/s air flow and tip speed ratio λ=6 are presented and compared with the corresponding results for two-phase flow with rainfall densities of 10, 30 and 60 g/m3. Sizes such as static pressure and shear stress on the blade, the linear velocity due to rotation, the spread of the water film on the wing and the Cp efficiency factor are compared. Also, The effect of the size of the diameter of raindrops on the aerodynamic efficiency of the wind turbine is studied with 3 more simulations of raindrop diameter 0.5, 1, 2 mm and LWC (Liquid Water Consistency) = 30 g/m3.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_M_ΠΥΛΑΡΙΝΟΣ_ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ_247031.pdf5.62 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.