بررسي جريان و ضريب گشتاور توربين بادي داريوس بر حسب تغييرات زاويه گام و نسبت سرعت نوك پره

Investigation of flow field and torque coefficient of Darrieus wind turbine with respect to pitch angle variations and tip speed ratios

توربين داريوس، توربين بادي محورعمودي بر پايه نيروي برآ است كه به دليل طراحي ساده و عدم وابستگي به جهت باد، مورد توجه محققان قرارگرفته است. به دليل افزايش زاويه حمله پره در سرعت‌هاي نوك پايين و ايجاد واماندگي، اساساً اين توربين‌ها با مشكل راه‌اندازي مواجه بوده و بازدهي كمتري نسبت به توربين‌هاي بادي محور افقي دارند. در اين مطالعه نشان داده مي شود كه استفاده از توربين‌هاي با زاويه گام پره متغير، يك راه‌كار مناسب براي رفع مشكل راه‌اندازي و افزايش توان توربين بادي داريوس مي‌باشد. در اين مقاله، اثر زاويه گام متغير پره با دامنه‌هاي مختلف بر ميزان گشتاور خروجي، رفتار جريان حول پره و راه‌اندازي توربين بادي داريوس بررسي شده است. شبيه‌سازي‌ها به‌صورت غيردائمي و دوبعدي و با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي به كمك مدل آشفتگي SST- kω در نرم‌افزار انسيس فلوئنت صورت پذيرفته و براي شبيه‌سازي چرخش روتور توربين، از تكنيك شبكه‌بندي لغزشي استفاده شده است. بررسي عددي نشان مي‌دهد كه استفاده از روش گام متغير با هدف كاهش اندازه زاويه حمله و كاهش نوسانات پره، شانس توربين براي توليد گشتاور در زواياي چرخش مختلف را افزايش مي‌دهد. همچنين بررسي جزييات جريان حول پره همچنين نشان مي‌دهد كه استفاده از روش گام متغير سبب افزايش اختلاف فشار حول ناحيه كم‌فشار و پرفشار پره شده و واماندگي جريان را به تأخير مي‌اندازد. به همين دليل توربين با زاويه گام متغير اين توانايي را داراست تا در مقايسه با توربين با زاويه گام ثابت، در سرعت‌هاي نوك متوسط و پايين، توان بيشتري توليد كند.

The Darrieus lift-based VAWT has been considered by many scientists due to the simplicity of design and independence to the wind direction. Due to increasing angle of attack at low tip speed ratios, the straight-bladed Darrieus wind turbines have the inherent problem of self-starting inability and have less power coefficient as compared to the horizontal axis wind turbines. In this study, has been showed that use of the variable pitch angle turbines is a suitable solution to overcome the self‌-starting problem and increasing the output power of Darrieus wind turbine. So, the effect of variable blade pitch angle mechanism with different amplitudes on output torque, flow field around the rotor and self-starting of Darrieus wind turbine has been investigated. Also, unsteady two-dimensional simulation is conducted using computational fluid dynamics with SST kω turbulence model and moving mesh technique is used for simulation of the rotating rotor. The numerical investigation shows that variable pitch mechanism decreases the angle of attack and makes the turbine have a chance to produce more torque at different azimuthal angles. Investigation of the flow around the blade also shows that the use of variable pitch blades increases the pressure difference between the low and high pressure of around the blade and delays stall. So, the Darrieus turbine with variable pitch angle in comparison with zero fixed pitch angle has the ability to produce more power at the middle and lower tip speeds ratios.