مدل‌سازي تبادل انرژي لحظه‌اي در برهم‌كنش صلب روتور با جريان غير‌دائمي آب اطراف داكت توربين‌هاي جزر و مدي محوري

Modeling instantaneous energy exchange during rigid interaction of rotor with unsteady water flow around duct of axial tidal turbines

براي پيشگويي جذب انرژي لحظه‌اي توسط توربين‌هاي جزر و مدي محوري در جريان غير‌دائمي آب يك روش مدل‌سازي عددي-تحليلي ارائه شده‌ است. هدف از مقاله حاضر معرفي يك روش حل انتگرالي سريع و پايدار با پاسخ يكتا است. اين روش از داده‌هاي ديناميك سيالات محاسباتي در جريان دائمي استفاده مي‌كند تا عملكرد زمانمند توربين جزر و مدي محوري را در جريان‌هاي خارجي غير‌دائمي تقريب بزند. اين روش حل براي مدل‌سازي توربين جزر و مدي محوري با داكت همگرا-واگرا در جريان آب با شرايط مرزي غيردائمي طراحي شده‌است. معادلات حاكم براي جريان سيال به‌صورت معادلات انتگرالي به‌دست آمده‌اند. معادله حركت يك‌درجه آزادي روتور با روش‌ رانج-كوتا مرتبه چهار و روش تغيير پارامتر‌ها حل شده‌ است. داده‌هاي ديناميك سيالات محاسباتي براي روتور و داكت توربين جزر و مدي محوري به‌ صورت مقادير مرزي در معادلات انتگرالي جريان سيال وارد شده‌اند. دو معادله تحليلي زمانمند براي تقريب گشتاور روتور و ضريب فشار پشت توربين جزر و مدي به‌كار برده شدند. نتايج روش حل انتگرالي با نتايج داده‌هاي زمانمند ديناميك سيالات محاسباتي در نرم‌افزار انسيس-فلوئنت مقايسه شده‌است. با روش ارائه شده، شبيه سازي‌هاي عددي متعددي انجام شده تا ابعاد داكت براي بيشترين افزايش جذب توان در يك توربين جزر و مدي محوري تعيين شود.

A numerical-analytical modeling technique was presented for predicting instantaneous energy absorption with axial tidal turbines in unsteady water flow. The goal of present paper is introducing a fast and stable integral solution approach with unique solution. This technique employs steady-state CFD data to approximate transient performance of axial tidal turbine in unsteady external flows. This solution technique was designed for modeling axial tidal turbine with convergent-divergent duct in water flow with unsteady boundary conditions. The governing equations for fluid flow were derived in the form of integral equations. The equation of one-degree of freedom motion for rotor was solved with fourth-order Runge-Kutta method and variation of parameters approach. CFD data for rotor and duct of axial tidal turbine were inserted as boundary values in integral equations of fluid flow. Two transient analytical equations were employed for approximating rotor torque and back pressure coefficient of tidal turbine. The results of integral solution approach were compared with transient CFD data in ANSYS-Fluent software. Many numerical simulations were performed to determine duct dimensions for maximum power enhancement in an axial tidal turbine.