مدل‌ سازي پسباد توربين بادي آزمون مكزيكو با استفاده از توزيع نيروي بيضوي در مدل خط عملگر در نرم‌ افزار اپن فوم

Modeling the Wake of MEXICO Experiment’s Wind Turbine Using Elliptic Force Distribution in Actuator-Line Method in OpenFOAM

توربين‌هاي بادي، از سازه‌هاي پيچيده در مبحث شبيه‌سازي عددي جريان مي‌باشند. از سوي ديگر، گسترش روزافزون كاربرد انرژي بادي در جهان، منجر به ايجاد تقاضا براي به‌كارگيري مدل‌هاي دقيق‌تر و با كارايي بيشتر براي شبيه‌سازي توربين‌ها ‌شده‌است. پسبادهاي به‌وجود آمده توسط توربين بادي تأثير قابل‌توجهي بر كاهش توان-خروجي و ايجاد پديده خستگي در پره‌ها دارند و بنابراين، مطالعه آن‌ها از اهميت زيادي برخوردار است. روش خط عملگر، يكي از دقيق‌ترين مدل‌ها جهت تحليل ميدان جريان و پسبادهاي جريان آشفته مي‌باشد كه نياز به حل جريان در داخل لايه‌مرزي ندارد و به همين دليل نسبت به مدل روتور كامل كارايي بيشتري دارد. در اين روش مي‌توان با دقت بالايي به مدل‌سازي اثرات يك توربين در جريان باد بدون نياز به ساخت مدل هندسي از روتور توربين و فقط با استفاده از پارامترهاي توربين پرداخت. در اين مقاله، با پياده‌سازي روش خط عملگر در نرم‌افزار اپن‌فوم و نيز با استفاده از روشي نوين جهت توزيع نيروي اعمالي بر خطوط عملگر، مدل‌سازي توربين بادي آزمون مكزيكو انجام‌ شده ‌است. همچنين به‌منظور تحليل ميدان جريان اطراف توربين، از روش شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ استفاده شده است. شبيه‌سازي براي دو حالت مختلف شامل حالت شرايط طراحي و حالت واماندگي صورت گرفت. نتايج حاصل از شبيه‌سازي و تخمين پسبادها و پارامترهاي عملكردي توربين، با داده‌هاي آزمون تجربي مقايسه و همگرايي خوبي مشاهده شد. نتايج پارامترهاي عملكردي حالت واماندگي در توافق بهتري با داده‌هاي تجربي بودند به‌طوري‌كه نيروي رانش با 8.5 درصد و گشتاور و توان خروجي توربين به ترتيب با 2.8 و 2.4 درصد اختلاف، پيش‌بيني شدند.

Wind turbines are highly complex structures for numerical flow simulation. Today, developments and increasing use of wind energy in the world has created a demand for progressively more accurate and efficient models for wind applications. Wind turbine wakes have significant effects on decreasing the produced power and blades fatigue loads, thus, the study on wake turbulence has great importance in wind turbine simulations. Actuator line model (ALM) is one of the most accurate models for characterization of the flow field and the turbulent wakes created by the turbines. AL model does not require boundary layer resolution and is therefore significantly more efficient than the fully-resolved computations. This model can accurately simulate the wakes of wind turbines operating in a flow field without any need to create or import the CAD turbine models and just by using turbine parameters. In this paper, AL method is implemented in openFOAM solver and a new method is used to spread forces on actuator lines. In order to validate the results, MEXICO rotor was modeled and large eddy simulation’s turbulence model is used to investigate the flow field around wind turbine. Simulation has been done for two different conditions including design conditions and stalled conditions. Results obtained for predicted wakes and performance parameters were compared to experimental data and it was observed that the ALM results agree well with measured data. Stall condition’s results were in better agreement with experimental data so that the thrust had 8.5% difference while torque and power showed difference of 2.8 and 2.4% respectively.