عنوان پایان‌نامه
افزایش ضریب توان توربین باد با استفاده از به تاخیر انداختن گذار لایه مرزی مقاطع میانی پره
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوافضا - آئرودینامیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 513;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77889;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 513;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77889
- تاریخ دفاع
- ۲۱ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- پوریا اشکبوس
- استاد راهنما
- امیر نجات, مجتبی طحانی
- چکیده
- استفاده از انرژی‌باد به عنوان یک منبع تجدید‌پذیر و بدون آلایندگی در سال‌های اخیر افزایش یافته‌است. بنابراین بهینه‌سازی و تحلیل توربین‌های بادی جهت بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌ی آن، دارای اهمیت فراوان است. در این پایان‌نامه، بهینه‌سازی پره توربین‌باد با هدف افزایش کارایی و بهبود عملکرد آن به کمک به تاخیرانداختن نقطه گذرش جریان، صورت گرفته‌است. بهینه‌سازی مقاطع پره توربین باد 5 مگاوات با الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات چندهدفه (MOPSO) و با توابع هدف نسبت ضریب برا به پسا و تغییرزاویه‌ی چرخش انجام‌شده‌است. نسبت ضریب برا به پسا، جهت بهبود عملکرد توربین و تغییر زاویه چرخش، جهت کاهش هزینه‌های محاسباتی انتخاب‌شده‌اند. برای محاسبه‌ی توابع هدف از نرم‌افزار ایکسفویل (XFOIL) استفاده‌شده‌است. برای مشاهده‌ی اثر به تاخیرانداختن نقطه‌ی گذار، تغییرات ضریب اصطکاک سطح برای مقاطع توربین باد قبل و بعد از بهینه‌سازی بررسی‌شده‌اند. قیود بهینه‌سازی، طول کرد ثابت، تغییر زاویه چرخش و همچنین تغییر ماکزیمم ضخامت ایرفویل به اندازه‌ی یک درصد هندسه اولیه، در فرآیند بهینه‌سازی انتخاب شده‌اند. برای پارامتری‌کردن هندسه‌ی ایرفویل‌های مقاطع پره‌ی توربین باد جهت بهینه‌سازی، روش انتقال شکل کلاس (CST) با مرتبه‌ی 7 استفاده‌شده‌است که با این روش ضرایب چندجملهای معادل شکل ایرفویل با دقت مناسبی حاصل می‌شوند. ضرایب چندجملهای معادل شکل ایرفویل پارامتر‌های ذرات یا ایرفویل‌هایی هستند که در فضای جستجوی تعیین‌شده، در فرآیند بهینه‌سازی تغییر می‌کنند. عملکرد هندسه بهینه‌شده با استفاده از روش مومنتم المان پره (BEM) که یکی از روش‌های مرسوم در بهینه‌سازی است، تقریب زده‌شده‌است. برای بدست‌‌آوردن جواب‌های دقیق، حل عددی سه‌بعدی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای هندسه بهینه‌شده، با اعمال شرایط و شبکه‌بندی مناسب انجام‌‌گرفته‌است. برای مشاهده‌ی اثرات تاخیر نقطه گذار در حل عددی، از مدل آشفتگی انتقال تنش برشی گذار (SST Transition) استفاده‌گردیده‌است. نتایج حاصل از بهینه‌سازی افزایش نسبت ضریب برا به پسا را برای ایرفویل‌های مقطع پره، از مقدار 52/0درصد تا 23/13درصد با اعمال قیود بهینه‌سازی، نشان‌‌دادند. با مقایسه نتایج حاصل از محاسبه‌ی نقطه گذارجریان آرام به آشفته با استفاده از ایکسفویل، تاخیر نقطه گذرش ایرفویل‌های بهینه‌شده نسبت به ایرفویل اولیه مشاهده‌گردید. مقایسه نتایج BEM وCFD نشان‌داد که روش BEM عملکرد پره را بیشتر از مقدار واقعی با خطای 2 تا 5 درصد، بسته به سرعت چرخش پره، تخمین می‌زند. با تحلیل پره توربین باد بهینه‌شده افزایش 27/2 درصدی برای ضریب توان توربین باد در سرعت نامی پره توربین باد، به‌دست‌آمد.
- Abstract
- The The usage of wind turbines have become popular due to its many benefits in recent years therefore their optimization and simulation have a significant merit in terms of industrial, commercial, environmental and so on. In this study, optimization of wind turbine blade has been performed to improve its efficiency and performance. The optimization of wind turbine blade sections of 5 MW NREL has been carried out by using of the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) and the objectives of lift to drag coefficient ratio and twist angel variation to develop the performance and reduce th computational costs respectively. To calculate the objective functions XFOIL program have been used witch is the quick and widespread procedure for computing airfoil characteristics in optimization applications. To parametrization the airfoil shapes the 7th order Class Shape Transition (CST) has been utilized. The constraints of optimization have been the constancy of lift coefficient and chord length, in addition one present variation in maximum airfoil thickness and twist variation. The optimized wind turbine performance has been appraised with the Blade Element Momentum (BEM) method. To obtain the accurate wind turbine performance the 3D wind turbine simulation has been accomplished with the appropriate grid generation and solving conditions. The comparison between the results expresses that although the BEM method has been overestimated the wind turbine performance, it has the acceptable estimation error. The optimization and CFD simulation results show the 0.52 to 13.22 present improvement for the airfoil lift to drag ratio and the 2.27 percent development for wind turbine power coefficient. The CFD results has been satisfactorily validated with the study of Jonkman et al
