بررسي آزمايشگاهي و عددي عملكرد آيروديناميكي يك نوع توربين بادي محور عمودي با پره هاي لولايي

Experimental and Numerical Investigations on the Aerodynamic Performance of a Hinged Bladed Vertical Axis Wind Turbine

يكي از بزرگترين معايب توربين‌هاي بادي محور عمودي عمل كننده بر اساس نيروي پسا ، عملكرد آيروديناميكي ضعيف اين توربين‌هاست كه عمدتا به دليل گشتاور معكوس پره پشت به باد است. اخيرا طرح جديدي با استفاده از پره‌هاي جمع و باز شونده به منظور حذف گشتاور منفي پره‌هاي بازگشتي ارائه شده است. در مقاله حاضر عملكرد آيروديناميكي توربين پيشنهاد شده به روش آزمايشگاهي و عددي مطالعه شده است. آزمايشات در يك تونل باد زير صوتي و شبيه‌سازي هاي عددي با استفاده از نرم-افزار انسيس فلوئنت و روش قاب متحرك انجام شده است. اثرات تعداد پره (3،4و 6) و شدت آشفتگي و صفحات انتهايي بر ضريب گشتاور و ضريب توان در اعداد رينولدز مختلف بررسي شده است. نتايج نشان مي‌دهد، روتور جديد در يك دوره چرخش كامل، گشتاور منفي ندارد و روتور 3 پره با مقدار ضريب توان بيشينه 0/21 در نسبت سرعت نوك 0/5، بهترين عملكرد آيروديناميكي را داراست. اگرچه با افزايش تعداد پره، نوسانات گشتاور خروجي كاهش مي‌يابد ليكن ضريب توان روتور نيز كاهش مي‌يابد. همچنين نتايج نشان مي‌دهد كه عدد رينولدز در بازه مورد مطالعه 104×7/7 تا 105×2/1 تاثير چنداني بر عملكرد روتور ندارد.

One of the disadvantages of drag driven vertical axis wind turbines, is low aerodynamic performance of the turbine which is mainly due to adverse torque of the returning blade. A recently introduced design suggests using opening/closing blades for the rotor to eliminate the negative torque of the returning blade. In this study, the aerodynamic performance of the newly proposed turbine has been investigated experimentally and numerically. The experimental measurements are performed in a subsonic open-jet type wind tunnel facility. However, the numerical simulations are performed using the Ansys-Fluent commercial software, and the Multiple Reference Frame model (MRF). The effects of the number of blades (3, 4 and 6-bladed), end plates and turbulence intensity on the torque and power coefficients are examined in detail in several Reynolds numbers. Results show that the new rotor has no negative torque in one complete revolution and the 3-bladed rotor has the best aerodynamic performance in such a way that it reaches a maximum power coefficient of 0.21 at TSR=0.5. Although increasing the number of blades decreases the output torque oscillations, it also decreases the average power coefficient of the rotor. Results also show that, Reynolds number does not have significant effects on the average power coefficients of the rotors in the studied range of Reynolds numbers, 7.7×104 ≤ Re ≤ 1.2×105.