بهبود عملكرد توربين باد محور عمودي بر مبناي شيوه هاي كنترل جريان فعال و غيرفعال و مقايسه آنها

DARRIEUS WIND TURBINE PERFORMANCE ENHANCEMENT USING VARIOUS FLOW CONTROL TECHNIQUES an‎d COMPARISON

نوشتار حاضر به بررسي و مقايسه ي عملكرد توربين بادي محور عمودي با اعمال 5 روش كنترلي مختلف شامل روش هاي فعال مكش و دمش جريان و روش هاي غيرفعال ريبلت، حفره و ساختار متخلخل به عنوان شيوه يي جديد مي پردازد. توربين باد انتخاب شده در اين تحقيق از نوع داريوس و پارامتر مورد مطالعه در اين بررسي ها عمدتا ضريب توان است. مشخصه هاي هندسي و ابعاد عملگرها تا حد امكان مشابه انتخاب شده تا امكان مقايسه ي بهتر فراهم شود. شبيه سازي و حل عددي جريان در نرم افزار استار سي سي ام به صورت دوبعدي انجام شده است. معادلات حل جريان، معادلات ناوير استوكس ناپايا و مدل توربولانسي $rm{k-varepsilon}$ انتخاب شده است. اعتبارسنجي نتايج بر مبناي داده هاي تجربي و براي حالت اوليه ي توربين كه فاقد كنترل جريان است انجام شده است. سپس حل عددي براي هريك از شيوه هاي كنترلي انجام شده و ارزيابي صورت گرفته است. نتايج كيفي حاصل از ميدان جريان نشان مي دهد به ميزاني كه روش كنترلي در كاهش اثرات ناحيه دنباله موثر است، به همان ميزان ضريب توان و يا راندمان بهبود پيدا كرده است. نتايج كمي نشان مي دهد روش هاي كنترلي فعال دمش و مكش با بهبودي در حدود 6 درصد در نسبت سرعت نوك پره 1٫7 و 2٫64 عملكرد بهتري نسبت به ساير روش هاي كنترلي داشته اند. روش جديد معرفي شده كه بكارگيري ساختار متخلخل در بخشي از پره است، به ميزان 1 درصد بهبود عملكرد در نسبت سرعت نوك پره 1٫7 به همراه داشته كه البته با لحاظ مزيت هاي اكوستيكي و كاهش نويز مي تواند به عنوان يك روش غير فعال مناسب كاربرد داشته باشد. در ادامه همچنين به بررسي پارامتريك هركدام از اين روش هاي كنترلي پرداخته شده است. ميزان تغيير ضريب توان به شدت عملگر و نسبت سرعت نوك پره بستگي دارد. به عنوان يك نتيجه ي كاربردي مي توان تركيبي از اين شيوه هاي كنترل جريان را در فازهاي عملكرد متفاوت توربين پيشنهاد كرد.

In this paper performance of vertical-axial wind turbine has been studied based on 5 different flow control techniques. The active methods selected here are suction and blowing and the passive methods are composed of using riblet, cavity and porous media, which the latter one is a new method. The benchmark turbine selected here is Darrieus type and the performance parameter is considered as power coefficient of the turbine. The geometry, location and depth of the actuators are assumed to be approximately equal in different methods aiming the better comparison. Two-dimensional CFD and flow simulation was carried out in Star-ccm+ software. The governing equations are unsteady Navier-Stokes equations and turbulence model is selected k-u{03b5}. The numerical result of the original wind turbine has been validated against experimental data. Then for each control method, numerical solution has been performed and being evaluated. The results show that the power coefficient or efficiency could be improved as much as the control method would reduce the wake region. The results also show that the blowing and suction control methods with about 6% improvement for TSR 1.7 and 2.64 have the better performance among all other methods. Using porous media as a new control method, improves power by about 1% in TSR 1.7. Considering the advantages in noise reduction, this new technique may be further investigated. In this paper also parametric study of each control methods have been performed. The change in power coefficient depends on both TSR and actuator intensity. Based on the numerical simulations it is recommended that a hybrid layout consisting active and passive flow control method applied over turbine blades.