عنوان پایان‌نامه
بهینه سازی ایرفویل NLF در رژیم جریانهای تراکم ناپذیر مورد استفاده در توربین باد
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2836;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66169
- تاریخ دفاع
- ۱۰ دی ۱۳۹۳
- دانشجو
- پیام رضاسلطانی
- استاد راهنما
- امیر نجات
- چکیده
- امروزه با توجه به افزایش قیمت سوخت و آلودگی‌های زیست محیطی گرایش به انرژی‌های پاک از جمله توربین‌های باد رو به‌افزایش است. یکی از بخش‌ها در طراحی پره‌های توربین بادی، طراحی و بهینه‌سازی ایرفویل‌های آن می‌باشد. در توربین‌های بادی نیروی لیفت است که باعث چرخش پره می‌گردد درحالیکه نیروی درگ مولفه‌ایست که تاثیر منفی بر توان تولیدی دارد. بخش عمده‌ای از ضریب درگ در ایرفویل‌ها را ضریب درگ اصطکاکی تشکیل می‌دهد و اصطکاک پوسته در ناحیه آرام از درهم کمتر است. پیدا کردن محل گذرش و تعویق انداختن آن می‌تواند یکی از راهکارهای کاهش درگ باشد. بنابراین افزایش نسبت لیفت به درگ و پیدا کردن محل گذرش بر روی سطح بالا و پایین ایرفویل و تعویق انداختن آن از مواردی است که در این پایان‌نامه مورد توجه واقع شده است. ایرفویلی که برای بهینه‌سازی انتخاب شده، یک مدل از ایرفویل‌های جریان آرام (NLF0416) می‌باشد که جریان تا حد زیادی بر روی آن آرام می‌ماند. برای انجام محاسبات در این تحقیق از کدهای Fluent و XFOIL استفاده شده است. از آنجا که در فلوئنت مدل‌های توربولانسی Transition SST و k,kl,? قادر به شبیه‌سازی رفتار گذرش می‌باشند، این مدل‌‌ها به‌منظور محاسبه میدان جریان بکار گرفته شده‌اند. که پس از اعتبار سنجی، نتیجه‌گیری شد که مدل Transition SST در شبیه‌سازی گذرش جریان به‌خصوص در هندسه ایرفویل توانمندتر از مدل k,kl,? عمل می‌کند. به‌همین‌خاطر در طی فرآیند بهینه‌سازی از مدل توربولانسی Transition SST استفاده می‌شود. سرعت حل در XFOIL بسیار بالاتر از فلوئنت است، پس در ابتدا یک حل با جمعیت بالا را با XFOIL انجام و نتیجه آن به‌عنوان ورودی برای بهینه‌سازی با فلوئنت داده می‌شود. الگوریتم بهینه‌سازی که در این پایان‌نامه مورد استفاده قرار گرفته است، الگوریتم بهینه‌سازی Multi-Objective Territorial Particle Swarm Optimization می‌باشد. از مزایای این الگوریتم می‌توان به توانای بالای جستجوی فضای حل اشاره نمود. از روش CST برای پارامتریک نمودن هندسه ایرفویل و کاهش تعداد پارامترهای طراحی استفاده شده است. از جمله مواردی که در تغییر هندسه ایرفویل رعایت شده این است که ضخامت به‌حدی کم نگردد تا از لحاظ ساختاری و مقاومتی برای استفاده در توربین باد مناسب نباشد. در این تحقیق مسئله بهینه‌سازی یکبار برای ایرفویل NLF0416 و به‌ازای توابع هدفی نظیر:افزایش نسبت لیفت به درگ، تاخیر انداختن گذرش جریان در سطح بالا و پایین ایرفویل انجام شده است. قیدی که لحاظ شده این است که مقدار ضریب لیفت از مقدار ضریب لیفت ایرفویل پایه کمتر نباشد. مشاهده می‌شود که با بهینه‌سازی می‌توان نسبت لیفت به درگ را در حدود 20 درصد افزایش، گذرش جریان در سطح بالا را در حدود 20 درصد به تعویق و در سطح پایین چیزی در حدود 5 درصد عقب اندازیم. سپس ایرفویل NLF0416 به ازای توابع هدفی نظیر: کاهش مقدار ضریب ممان و افزایش نسبت لیفت به درگ بهینه شده است. با بررسی نتیجه بهینه‌سازی دیده می‌شود که مقدار ضریب ممان را می‌توان در حدود 10 درصد کاهش داد و به همین‌ترتیب نسبت لیفت به درگ در حدود 15 درصد افزایش داده می‌شود. کلید واژه‌ها: بهینه‌سازی، ایرفویل، گذرش جریان، توربین باد، CST
- Abstract
- Nowadays due to rising fuel prices and environmental concerns, energy users tend to replace fissile fuels with clean source of energies such as wind energy employing wind turbines. One of the important parts of a wind turbine’s blade design is designing and optimizing the airfoils. In wind turbines, lift force causes the blade to rotate while drag force has a reverse effect on turbine power. A major part of drag coefficient for airfoils at low angle of attacks (nominal design point) is composed of frictional drag coefficient and skin friction in laminar region is less in comparison with the turbulent flow. Determination of transition location and postponing its onset are the common solutions for drag reduction. Therefore, in this research, increasing lift to drag ratio and postponing the location of the onset of transition for bottom and top surfaces of the airfoil have been taken into consideration. NLF0416 has been considered for optimization in which the flow is laminar to a large extent. In this research, Fluent and XFOIL codes are utilized for performing calculations. Since SST Transition and k,kl,? turbulence models are used in Fluent to simulate transition behavior, these models are used to study flow field. After validation, it was concluded that SST Transition model is more robust compared to k,kl,? model specifically for airfoil geometries. As a result SST Transition turbulence model is used in optimization process. XFOIL is more efficient in computational time, therefore initially a large population solutions were obtained from XFOIL and the result was used as an input in Fluent for optimization. Multi-Objective Territorial Particle Swarm Optimization is used. One of the advantages of this algorithm is the capability of searching the solution space in an effective way. CST method is used to parameterize the geometry of the airfoil and to reduce the number of design parameters. In this thesis, due to structural consideration, the thickness of airfoil is held constant within a specified limit. In this research optimization of the NLF0416 airfoil is conducted for the objective functions like increasing lift to drag ratio and postponing the onset of transition in bottom surface and top surface of the airfoil. A constraint that has been applied is that the lift coefficient is not less than of the basic airfoil. From the optimization, it is observed that the lift to drag ratio is enhanced by 20 percent and the onset of the transition in top surface and bottom surface is postponed about 20 and 5 percent respectively. NLF0416 airfoil is then optimized for objective functions like reducing the amount of moment coefficient and increasing lift to drag coefficient. Optimization results revealed that the moment coefficient is reduced about 10 percent and lift to drag coefficient is increased about 15 percent. Keywords: Optimization, Airfoil, Transition, Wind turbine, CST
