تحليل لايه مرزي سه بعدي بر روي پره‌هاي توربين بادي

3D analysis of the boundary layer on wind turbine blades

در اين مقاله، جريان لايه مرزي بر روي پره‌هاي توربين بادي و نحوه رخ دادن جدايش بر روي پره، به شكل سه بعدي مورد بررسي قرار گرفته است. ابتدا معادلات لايه مرزي و انتگرال مومنتوم سه بعدي براي جريان تراكم‏ناپذير با در نظر گرفتن اثر چرخش استخراج شده است. پس از آن، با استفاده از تعريف ضريب هندسه و تيوري مومنتوم المان پره، تاثير زاويه گام و زاويه ميان جريان و بردار چرخش بر روي جملات كريوليس، اعمال شده است. سپس، با حل عددي معادلات به دست آمده براي يك پره چرخان، كميت‌هاي انتگرالي و نقاط جدايش به دست آمده است و مشخصه‌هاي هندسي موثر بر روي نقاط جدايش و ساختار واماندگي مشخص شده‌اند. نتايج نشان مي‏دهد كه سه عامل نسبت سرعت چرخش، نسبت منظري و موقعيت شعاعي، در نحوه ايجاد جدايش موثرند و با كنترل آنها مي‏توان جدايش و واماندگي را به تاخير انداخت. ناحيه نزديك به ريشه به شدت تحت تاثير اثرات چرخش است. مكش گريز از مركز حاصل از چرخش، به خصوص در نواحي نزديك به ريشه، موجب كاهش ضخامت لايه مرزي و به تعويق افتادن جدايش و همچنين، افزايش ضرايب آيروديناميكي پره مي‌شوند.

In this paper, three-dimensional boundary layer flows on wind turbine blades as well as separation event have been studied. At first, boundary layer and three-dimensional momentum integral equations were obtained for incompressible flow considering rotation effects. Next, the effects of pitch angle and the angle between the flow direction and rotation vector on the coriolis terms were applied using geometry factor definition and Blade Element Momentum (BEM) theory. Then, the integral parameters and effective geometry factors on separation positions and stall structure were investigated for a rotating blade. The obtained results show that rotational ratio, aspect ratio and radial position are three basic parameters for separation occurrence and separation and stall can be delayed via controlling them. Moreover, the results show that the area near the root is strongly influenced by rotational effects. In addition, it is concluded that the centrifugal pumping due to rotation decreases the boundary layer thickness and delays separation especially in the near root region and increases the blade aerodynamic coefficients.