مطالعه بر هم‌كنش سيال و سازه به منظور بررسي اثرات جنس و ضخامت اجزاي پره‌ي توربين بادي محور افقي سايز كوچك بر تغيير شكل پره

FSI Simulation of a Small Size Horizontal Axis Wind Turbine to investigate the Effects of Blade Thickness and Material on Blade Deformation

انرژي بادي در سال‌هاي اخير در بين منابع تجديدپذير انرژي رشد قابل توجهي داشته است. با بزرگ شدن روز افزون توربين‌هاي بادي و افزايش ظرفيت آن‌ها، مساله‌ي برهم‌كنش سازه و سيال به موضوع مهمي در طراحي آنها بدل خواهد شد. در اين پژوهش ابتدا اثرات سرعت باد و جنس اجزاي سازنده‌ي پره بر ميزان تغيير شكل استاتيك پره‌ي يك توربين بادي محور افقي سايز كوچك با استفاده از شبيه‌سازي عددي بررسي شده است. مقدار پارامترهاي گشتاور شفت و گشتاور فِلپ پايه‌ي پره حاصل از شبيه‌سازي عددي تطابق خوبي را با مقادير تجربي نشان مي‌دهد. نتايج اين پژوهش از افزايش جابجايي نوك پره با افزايش سرعت باد حكايت دارد؛ با اين حال شيب اين افزايش در ناحيه‌ي با سرعت باد 10 تا 15 متر بر ثانيه به علت وقوع پديده‌ي جدايش در پره‌ي توربين، كاهش خواهد داشت. در ادامه اثر جنس مواد اجزاي مختلف پره‌ي توربين بر تغيير شكل بررسي و ساختارهاي با كمترين تغيير شكل تعيين شده‌اند. ضخامت اجزاي مختلف پره‌ي توربين بادي با پوسته‌ي از جنس اپوكسي‌گلاس و اسپار و ريشه از جنس فيبركربن با توجه به معيار شكست بيشينه كرنش به دست آمده است. ضخامت نهايي پوسته برابر 1/2 ميلي‌متر، ضخامت اسپار برابر 8/2 ميلي‌متر و ضخامت ناحيه‌ي ريشه برابر 10 ميلي‌متر محاسبه شده است.

In recent years, wind energy experienced faster growth compared with the other renewable energies. The interaction between fluid and structure becomes more important as the wind turbine size and its power production capacity increases. In the present research, the effect of wind speed and blade materials on static deformation of a small size horizontal axis wind turbine blade is investigated. The shaft torque and root flap bending moment values obtained from simulation are in a good agreement with experimental data. Results demonstrated that the deformation of the blade increases as the wind speed grows, although the increase rate has declined in the mean wind speed range because of the occurrence of separation phenomenon on the blade surface. The effect of blade components materials on blade deformation was investigated and the least deformed configurations were introduced. The thickness of the designated blade components has been investigated by means of the maximum strain theory. The final thickness of the skin, spur and root was estimated by 2.1 mm, 2.8 mm and 10 mm respectively which are 30% less than the primary one.