توسعه تئوری مومنتوم المان پره در جریان‌‌های ناپایا با در نظر گرفتن پدیده واماندگی دینامیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آیرودینامیک، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، تهران، ایران

2 خواجه نصیر * هوافضا

چکیده

اولین گام در طراحی توربین‌‌های بادی، انتخاب نسبت سرعت نوک می‌‌باشد. در این پژوهش، محاسبه‌ی سرعت نوک بهینه با در نظر گرفتن واماندگی دینامیکی صورت گرفته است. واماندگی دینامیکی نیروی زیادی روی مقاطع هوابر ایجاد می‌کند و در توربین با جریان ناپایا رخ می‌دهد. هدف این پژوهش بررسی تاثیر جریان ناپایا با نوسان دوره‌ای بر عملکرد توربین‌‌های بادی محور افقی می‌‌باشد. ابتدا از یک مدل واماندگی دینامیکی برای تحلیل داده‌های استاتیک موجود استفاده می‌شود، سپس به کمک این مدل نسبت سرعت نوک بهینه با استفاده از تئوری مومنتوم المان پره محاسبه می‌‌گردد. همچنین ضریب توان و نیروی پیشران توربین در چند نسبت سرعت نوک متفاوت بررسی گردیده است. در نمودارهای ضریب توان و نیروی پیشران، علاوه بر نتایج دینامیک، نتایج استاتیک ترسیم شده ‌است. مقایسه‌‌ی این نتایج نشان می‌‌دهد که چگونه واماندگی دینامیکی، باعث انحراف جواب‌‌ها نسبت به حالت استاتیک می‌‌شود. نتایج حاکی از آن است که پدیده واماندگی دینامیکی، باعث کاهش 3% ضریب توان توربین نسبت به جریان پایا می‌‌گردد. همچنین نسبت سرعت نوک بهینه طراحی توربین، در حالت دینامیک افزایش می‌‌یابد. در ادامه بررسی نمودارهای متوسط زمانی ضریب پسا نشان می‌‌دهد که تأخیر در جدایش تقریباً از مقاطع میانی بال شروع می‌‌شود و در ریشه به مقدار بیشینه می‌‌رسد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Development of Blade Element Momentum Theory for Unsteady Flow with Regard to the Dynamic Stall Phenomenon

نویسندگان [English]

  • Hossein Ettehadi 1
  • Hamed AliSadeghi 2
1 Department of Aerospace Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor/ Aerospace Department /K.N.Toosi University of Technology
چکیده [English]

The first step in turbine blade design is to select tip speed ratio. In this research, the optimum speed ratio is calculated with regard to the dynamic stall phenomenon. The dynamic stall imposes large amplitude loading on airfoil sections and since it occurs in turbine operating envelope in unsteady flow. The purpose of this study was to investigate the effect of unsteady flow with periodic oscillation on the performance of horizontal axis wind turbines. A dynamic stall model is implanted to analyze the static data obtained. Then, using this model and blade element momentum theory, the optimal tip speed ratio is calculated. Also, thrust and power coefficients are plotted in several different tip speed ratios. In addition to dynamic results, static results are plotted in power and thrust graphs. Comparison of these results shows how the dynamic stall causes the deviations of responses to static state. This phenomenon affects the efficiency by -3% as compared to the static stall. Also the optimum tip speed ratio increases in dynamic mode. In addition, time average diagrams of the drag coefficient show that the delay in separation starts approximately from the midpoints of the blade and reaches the maximum value at the root.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dynamic stall
  • Blade element momentum
  • Tip speed ratio
  • Horizontal axis turbines
  • Unsteady flow

مراجع

[1] H. Glauert, Airplane propellers, in:  Aerodynamic theory, Springer, 1935, pp. 169-360.
[2] X. Liu, C. Lu, S. Liang, A. Godbole, Y. Chen, Influence of the vibration of large-scale wind turbine blade on the aerodynamic load, Energy Procedia, 75 (2015) 873-879.
[3] T. Macquart, A. Maheri, K. Busawon, Improvement of the accuracy of the blade element momentum theory method in wind turbine aerodynamics analysis, in:  2012 2nd International Symposium On Environment Friendly Energies And Applications, IEEE, 2012, pp. 402-405.
[4] A. Maheri, S. Noroozi, C. Toomer, J. Vinney, Damping the fluctuating behaviour and improving the convergence rate of the axial induction factor in the BEMT-based rotor aerodynamic codes, in:  European Wind Energy Conference & Exhibition, Athens, Greece, 2006, pp. 1e4.
[5] P.J. Moriarty, A.C. Hansen, AeroDyn theory manual, National Renewable Energy Lab., Golden, CO (US), 2005.
[6] S. Gupta, J.G. Leishman, Dynamic stall modelling of the S809 aerofoil and comparison with experiments, Wind Energy: An International Journal for Progress and Applications in Wind Power Conversion Technology, 9(6) (2006) 521-547.
[7] R. Pereira, G. Schepers, M.D. Pavel, Validation of the Beddoes–Leishman dynamic stall model for horizontal axis wind turbines using MEXICO data, Wind Energy, 16(2) (2013) 207-219.
[8] I. Milne, A. Day, R. Sharma, R. Flay, The characterisation of the hydrodynamic loads on tidal turbines due to turbulence, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 56 (2016) 851-864.
[9] I. Milne, A. Day, R. Sharma, R. Flay, Blade loads on tidal turbines in planar oscillatory flow, Ocean Engineering, 60 (2013) 163-174.
[10] G.T. Scarlett, B. Sellar, T. van den Bremer, I.M. Viola, Unsteady hydrodynamics of a full-scale tidal turbine operating in large wave conditions, Renewable Energy, 143 (2019) 199-213.
[11] G. Ingram, Wind turbine blade analysis using the blade element momentum method. version 1.1, Durham University, Durham,  (2011).
[12] M. Sriti, Improved blade element momentum theory (BEM) for predicting the aerodynamic performances of horizontal Axis wind turbine blade (HAWT), Tech. Mech., 38(12) (2018) 191-202.
[13] E. Gashtasbi, H. Emdad, E. Salimipur, Investigation of the effect of leading edge shape on the dynamic stall of oscillating wing in two dimensional compressible turbulent flow, 8th Iranian Aerospace Society Conference, Isfahan, Iranian Aerospace Society (in persian) (1388).
[14] L.W. Carr, Progress in analysis and prediction of dynamic stall, Journal of aircraft, 25(1) (1988) 6-17.
[15] M. Faber, A comparison of dynamic stall models and their effect on instabilities,  (2018).
[16] W. Sheng, R. Galbraith, F. Coton, A modified dynamic stall model for low Mach numbers, Journal of Solar Energy Engineering, 130(3) (2008) 031013.
[17] T. Beddoes, A third generation model for unsteady aerodynamics and dynamic stall, Westland Helicopter Limited, RP-908,  (1993).
[18] H. Wagner, Über die Entstehung des dynamischen Auftriebes von Tragflügeln, ZAMM‐Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 5(1) (1925) 17-35.
[19] R.T. Jones, The unsteady lift of a wing of finite aspect ratio,  (1940).
[20] M.H. Hansen, M. Gaunaa, H.A. Madsen, A Beddoes-Leishman type dynamic stall model in state-space and indicial formulations,  (2004).
[21] B. Thwaites, Incompressible aerodynamics: an account of the theory and observation of the steady flow of incompressible fluid past aerofoils, wings, Clarendon Press, 1960.
[22] W. Sheng, R.A.M. Galbraith, F.N. Coton, Applications of low-speed dynamic-stall model to the NREL airfoils, Journal of Solar Energy Engineering, 132(1) (2010) 011006.
[23] J. Janiszewska, R.R. Ramsay, M. Hoffmann, G. Gregorek, Effects of grit roughness and pitch oscillations on the S814 airfoil, National Renewable Energy Lab., Golden, CO (United States), 1996.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 3
خرداد 1400
صفحه 1439-1456

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار