Skip to main content
SUPERVISOR
Nili ahmadabadi Mehdi,Ebrahim Shirani
مهدی نیلی احمدآبادی (استاد مشاور) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohamad ali Navarchian
محمدعلی نوارچیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

A Numerical Simulation and Performance Analysis of the Vertical Axis Wind Turbine for Optimizing the Tip Speed Ratio and Power Maximazing
The number of wind turbines that have been deployed all over the world has increased considerably in recent years. Most of the wind turbines that are currently deployed around the globe feature a horizontal-axis configuration. In recent years, there has been a resurgence of interest in vertical-axis wind turbines, however. Vertical-axis wind turbines offer several advantages over turbines with a horizontal-axis configuration. The gearbox and the generator of a vertical-axis turbine can be situated on the ground, thereby reducing the loads on the tower and facilitating the maintenance of the system. In addition, vertical-axis turbines are, by design insensitive to the wind direction and therefore do not require a yaw control system. The main aim of this study is to simulate a helically vertical axis wind turbine using Reynolds-averaged Navier–Stokes equations (RANS) method in order to obtain the performance curves and to get the optimal tip speed ratio. For this purpose, at first, statistical analysis and estimation of wind energy potential in the years 2005 to 2010 in Isfahan was performed. Then, considering the turbine geometrical characteristics such as size, number of blades and type of airfoil, a three- dimensional model of the turbine blades was prepared with the Solidwork software. In order to meshing and to define the solution domain, ANSYS Meshing (ICEM) software was used. In addition, the independency of the results to mesh size was also investigated and eventually the calculation region is divided into about 14,500,000 grids. Finally, the turbine was simulated and analyzed by the ANSYS CFX software using the SST turbulence model. The aerodynamic power, torque and power coefficie nt curves are the most important performance curves for the turbine that were obtained from numerical solution. In order to better understanding the physics of the flow in the solution domain, the contours of velocity and pressure, the streamlines and the vorticity field were also obtained. The power coefficient through the whole revolution of the rotor was obtained, as well. Due to uniform distribution of angle of attack on the turbine blades, the fluctuation of power coefficient through the whole revolution of the rotor was negligible. The results showed that depending on the wind velocity, the maximum power is attained at special tip speed ratio (optimum tip speed ratio). According to the performance curves, the optimum tip speed ratios for three wind velocities 5m/s, 10m/s and 14m/s were obtained as 2.1, 2.2 and 2.45 respectively. The power decreased afterward by increasing the rotational speed of the rotor. The reason is due to the fact that by increasing the angle of attack, the flow separation and the dynamic stall are occurred and the lift force is decreased. The results were validated by experimental data and good agreement obtained. Keywords:Helically vertical axis wind turbine, Numerical Simulation, SST turbulence model, Tip speed ratio, Power coefficient, Torque.
تعداد توربین‌های بادی گسترش‌یافته در سراسر جهان در سال‌های اخیر بطور قابل توجهی افزایش یافته‌است که البته بیشتر این توربین‌های بادی از نوع محور افقی هستند. امّا در سال‌های اخیر توربین های محور عمودی نیز مجدداً مورد توجه قرار گرفته‌اند. توربین‌های محور عمودی نسبت به توربین‌های محور افقی دارای چندین مزیت هستند. جعبه دنده و ژنراتور توربین‌های محور عمودی می‌تواند روی زمین نصب شود، بنابراین بار روی پایه توربین و هزینه‌های تعمیر ونگهداری کاهش می‌یابد. علاوه بر این، عملکرد این توربین‌ها مستقل از جهت وزش باد است و نیاز به سیستم کنترل جهت ندارند. هدف از این پژوهش، شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی یک توربین بادی محور عمودی پره مارپیچ، با استفاده از معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده، به منظور دستیابی به منحنی‌های عملکرد و به دنبال آن بدست آوردن نسبت سرعت نوک بهینه توربین می‌باشد. بدین منظور ابتدا بررسی آماری انرژی باد و تخمین پتانسیل آن طی سال‌های 2005 تا 2010 در اصفهان انجام شد. سپس با مفروض بودن مشخصه‌های هندسی توربین نظیر ابعاد، تعداد تیغه‌ها و نوع ایرفویل، یک مدل سه‌بعدی از تیغه‌های توربین در نرم افزار Solid work تهیه وسپس جهت شبکه‌بندی و تعیین دامنه حل، به نرم‌افزارANSYS Meshing(ICEM) انتقال داده شد. همچنین بررسی استقلال از اندازه شبکه انجام گرفت. سرانجام توربین مورد نظر به کمک نرم‌افزار ANSYS CFX و با مدل توربولانسی sst شبیه‌سازی عددی شد و مورد تحلیل قرار گرفت. منحنی‌های توان آیرودینامیکی بر حسب سرعت باد، گشتاور برحسب دور و ضریب توان برحسب نسبت سرعت نوک، از مهمترین منحنی‌های عملکرد یک توربین به شمار می‌آیند که از این حل عددی بدست آمد. نتایج حل عددی نشان داد در یک نسبت سرعت نوک معین که در واقع همان نسبت سرعت نوک بهینه است، توربین بالاترین ضریب توان را داراست و این نسبت سرعت، بسته به سرعت وزش باد تغییر خواهد کرد. بر اساس منحنی های عملکرد، نسبت سرعت نوک بهینه برای سرعت باد 5، 10 و 15 متر بر ثانیه به ترتیب 1/2، 2/2 و 45/2 بدست آمد. بعد از این نسبت سرعت نوک، با افزایش دور توربین، به مرور ضریب توان کاهش پیدا کرده تا جایی که در نسبت‌های سرعت نوک بالا، بدلیل افزایش بیش از حد زاویه حمله، جدایش جریان به وقوع خواهد پیوست و پره‌ها دچار واماندگی دینامیکی شده و ضریب توان منفی می‌شود. همچنین تغییرات ضریب توان طی یک چرخش کامل روتور نشان داده شد که نوسان بسیار کمی داشت. در پایان، نتایج شبیه‌سازی عددی با نتایج حاصل از تست تونل باد نمونه مشابه مقایسه شد که تطابق خوبی را نشان داد. کلمات کلیدی : توربین بادی محور عمودی پره مارپیچ، شبیه‌سازی عددی، مدل توربولانسی sst ، نسبت سرعت نوک، ضریب توان، گشتاور

ارتقاء امنیت وب با وف بومی