بهينه سازي آيروديناميكي پره توربين بادي محور افقي رده مگاواتي با استفاده از الگوريتم ازدحام ذرات

Aerodynamic optimization of a megawatt class horizontal axis wind turbine blade with particle swarm optimization algorithm

در اين مقاله يك روش بهينه سازي آيروديناميكي سريع و كارآمد براي توربين هاي بادي كلاس مگاوات ارائه شده است. براي اين منظور توربين بادي دبليوپي-پايه با توان خروجي نامي 1.5 مگاوات به عنوان مورد آزمون استفاده مي شود. در اين تحقيق از روش بهينه سازي ازدحام ذرات استفاده شده است. براي افزايش كارآيي و سرعت چرخه بهينه سازي مطالعه پارامتري بر روي روش بهينه سازي ازدحام ذرات انجام شده است. براي محدود كردن تعداد متغيرها از روش انتقال تابع كلاس/تابع شكل براي پارامتري نمودن هندسه پره استفاده شده و درجه مناسب چند جمله اي توابع شكل براي ايرفويل اس-818، اس-825 و اس-826 تعيين شده است. روش بهينه شده اندازه حركت المان پره براي برآورد توان خروجي توربين باد در چرخه بهينه سازي استفاده مي شود. بدين منظور ابتدا اعتبار اين روش بوسيله مقايسه با داده هاي تجربي و داده هاي ديناميك سيالات محاسباتي توربين آ-او-سي مورد بررسي قرار مي گيرد. داده هاي آيروديناميكي مورد نياز براي روش بهينه شده اندازه حركت المان پره با استفاده از نرم افزار ايكس فويل بدست مي آيد. داده هاي خروجي نرم افزار ايكس فويل و ديناميك سيالات محاسباتي براي ضريب فشار ايرفويل با استفاده از داده هاي تجربي اعتبار سنجي شده است. زاويه پيچش، وتر و 3 نوع ايرفويل مورد استفاده براي تمام بخش هاي پره هاي توربين بهينه سازي شده است. بهينه سازي با استفاده از قيود واقع بينانه انجام شده است. عملكرد هندسه بهينه سازي شده نهايي از طريق معادلات حالت پاياي تراكم ناپذير ناوير-استوكس همراه با مدل آشفتگي انتقال تنش برشي شبيه سازي شده است. نتايج نشان مي دهند كه حدود 4 درصد افزايش توان براي توربين بدست آمده است.

This paper presents a fast and efficient aerodynamic optimization method for megawatt class wind turbines. For this purpose WP_Baseline 1.5 MW wind turbine is used as a test case. Modified particle swarm optimization (PSO) algorithm is used in this study. PSO parameteric studies are conducted, to increase both efficiency and speed of optimization cycle. Since in aerodynamic optimization, it is very desirable to limit the number of the variables, in this study geometric class/shape function transformation technique (CST) is used for blade geometry parameterization and the appropriate order of shape function polynomial is proposed for S818, S825 and S826 airfoils. Improved Blade Element Momentum (IBEM) theory is implemented for wind turbine power output estimation, and validated with experimental and Computational Fluid Dynamic (CFD) data of AOC wind turbine. The aerodynamic data needed for IBEM is provided by XFoil software. XFoil output data for pressure coefficient and wall shear stress which are validated against experimental and CFD data, are applied as the aerodynamic input data for IBEM method. The twist, the chord and 3 types of airfoil for all sections of the turbine blade are optimized using IBEM method. Optimization is performed with realistic constraints to produce feasible geometry. The performance of the final optimized geometry is simulated via 3D steady incompressible Navier–Stokes equations coupled with Transition SST Model CFD simulation to predict the performance improvement. The results show about 6 percent power enhancement for WP_Baseline wind turbine.