بررسی عملکرد توربین بادی ساونیوس در مجاورت یک ساختمان با مقطع دایروی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

شهرهای بزرگ امروزی مملو از ساختمان‌های بلند با ارتفاع مختلف هستند که تقاضای انرژی زیادی دارند. از طرفی، تولید برق پراکنده بخش جدایی ناپذیر از این شهرها در کشورهای پیشرفته بشمار می‌آید. برای استفاده از توربین‌های بادی با مقیاس کوچک و تولید برق پراکنده، عملکرد این نوع از توربین‌های بادی بایستی در مجاورت ساختمان‌های مختلف در مناطق شهری مورد بررسی قرار گیرد. در این پژوهش، مشخصه‌های توانی یک توربین بادی ساونیوس رایج در مجاورت یک ساختمان بزرگ با مقطع دایروی در سرعت جریان باد 6 متر بر ثانیه مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور، از توربین‌های بادی ساونیوس در فاصله بی‌بعد برابر با 2 نسبت به جداره ساختمان مورد نظر و در موقعیت‌های زاویه‌ای برابر با 30، 45، 60، و 90 درجه استفاده شده است. همچنین، برای درک اثر جهت چرخش توربین در مجاورت ساختمان مورد نظر، دو جهت چرخش ممکن یعنی چرخش رو به داخل و چرخش رو به خارج مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات برای سرعت نوک بی‌بعد 0/4،0/8، و 1/2  انجام گرفته است. داده‎های بدست آمده حکایت از تأثیر قابل توجه موقعیت زاویه‌ای و جهت چرخش روتور دارد. بررسی نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که، بسته به مقدار سرعت نوک بی‌بعد، با چرخش روتور رو به داخل و قرارگیری آن در موقعیت‌های زاویه‌ای 60 و 90 درجه بیشترین بهبود در ضریب توان در محدوده 208/72 تا 439/95 درصد نسبت به توربین نصب شده در جریان باد آزاد بدست می‌آید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of a Savonius Wind Turbine in the Vicinity of a Circular Cross-sectional Building

نویسندگان [English]

  • Mohsen Darvishyadegari
  • Rahim Hassanzadeh
Faculty of Mechanical Engineering, Urmia University of Technology, Urmia, Iran
چکیده [English]

Today's big cities are full of tall buildings requiring a lot of energy. On the other hand, dispersed electricity generation is an integral part of these cities in developed countries. To use small-scale wind turbines and dispersed electricity generation, the performance of such turbines in the vicinity of various buildings in the urban environment should be investigated. In this study, the power characteristics of a conventional Savonius wind turbine in the vicinity of a large circular cross-sectional building are assessed under a free-wind speed of 6 m/s. To this, the Savonius rotors are installed at a constant non-dimensional distance of 2 from the building envelope at different installation angles of 30°, 45°, 60°, and 90°. Additionally, to understand the effects of the rotation direction of the rotor, two possible rotations, namely, inward and outward rotations are studied. Computations are performed for tip speed ratios of 0.4, 0.8, and 1.2. The obtained results reveal the significant impacts of installation angle and rotation scenario. Examination of the obtained data shows that, depending on the for tip speed ratio, with inward rotation of the rotor at installation angles of 60° and 90°, the maximum improvements in the power coefficient are found compared to the reference case.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Savonius wind turbine
  • Installation angle
  • Inward and outward rotations
  • Power coefficient
  • Tip speed ratio

مراجع

[1] C.M. Chan, H.L. Bai, D.Q. He, Blade shape optimization of the Savonius wind turbine using a genetic algorithm, Applied energy, 213 (2018) 148-157.
[2] S. Roy, A. Ducoin, Unsteady analysis on the instantaneous forces and moment arms acting on a novel Savonius-style wind turbine, Energy Conversion and Management, 121 (2016) 281-296.
[3] R. Hassanzadeh, M. Mohammadnejad, S. Mostafavi, Comparison of various blade profiles in a two-blade conventional Savonius wind turbine, Journal of Energy Resources Technology, 143(2) (2021) 021301.
[4] R. Hassanzadeh, M. Mohammadnejad, Effects of inward and outward overlap ratios on the two blade Savonius type of vertical axis wind turbine performance, International Journal of Green Energy, 16(15) (2019) 1485-1496.
[5] N. Alom, U.K. Saha, Influence of blade profiles on Savonius rotor performance: Numerical simulation and experimental validation, Energy Conversion and Management, 186 (2019) 267-77.
[6] F. Balduzzi, A. Bianchini, L. Ferrari, Microeolic turbines in the built environment: Influence of the installation site on the potential energy yield, Renewable Energy, 45 (2012) 163-74.
[7] R. Hassanzadeh, Best location of the small wind turbine around a single high-rise building, International Journal of Green Energy, 14(2) (2017)196-204.
[8] I. Abohela, N. Hamza, S. Dudek, Effect of roof shape, wind direction, building height and urban configuration on the energy yield and positioning of roof mounted wind turbines, Renewable Energy, 50 (2013) 1106-1118.
[9] L. Ledo, P.B. Kosasih, P. Cooper, Roof mounting site analysis for micro-wind turbines, Renewable energy, 36(5) (2011) 1379-1391.
[10] B. Kim, K.T. Tse, A. Yoshida, Z. Chen, P. Van Phuc, H.S. Park, Investigation of flow visualization around linked tall buildings with circular sections, Building and Environment, 153 (2019) 60-76.
[11] H. Mittal, A. Sharma, A. Gairola, Numerical simulation of pedestrian level wind flow around buildings: Effect of corner modification and orientation, Journal of Building Engineering, 22 (2019) 314-326.
[12] F. Sepehrianazar, R. Hassanzadeh, I. Mirzaee, Turbulence and Energy Assessment of a Two Bladed H-Type Vertical Axis Wind Turbine Between Two High-Rise Buildings, International Journal of Heat and Technology, 37(4) (2019) 948-957.
[13] W. Xu, G. Li, X. Zheng, Y. Li, S. Li, C. Zhang, F. Wang, High-resolution numerical simulation of the performance of vertical axis wind turbines in urban area: Part I, wind turbines on the side of single building, Renewable Energy, 177 (2021) 461-474.
[14] W. Xu, Y. Li, G. Li, S. Li, C. Zhang, F. Wang, High-resolution numerical simulation of the performance of vertical axis wind turbines in urban area: Part II, array of vertical axis wind turbines between buildings, Renewable Energy, 176 (2021) 25-39.
[15] M. Anbarsooz, M. Amiri, Towards enhancing the wind energy potential at the built environment: Geometry effects of two adjacent buildings, Energy, 239 (2022) 122351.
[16] M. Asadi, R. Hassanzadeh, On the application of semicircular and Bach-type blades in the internal Savonius rotor of a hybrid wind turbine system, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 221 (2022)104903.
 [17] A. Rezaeiha, I. Kalkman, B. Blocken, CFD simulation of a vertical axis wind turbine operating at a moderate tip speed ratio: Guidelines for minimum domain size and azimuthal increment, Renewable Energy, 107 (2017) 373–385.
[18] A. Rezaeiha, H. Montazeri, B. Blocken, Towards accurate CFD simulations of vertical axis wind turbines at different tip speed ratios and solidities: Guidelines for azimuthal increment, domain size and convergence, Energy Conversion and management, 156 (2018) 301-316.  
[19] M. Asadi, R. Hassanzadeh, Effects of internal rotor parameters on the performance of a two bladed Darrieus-two bladed Savonius hybrid wind turbine. Energy Conversion and Management 238 (2021) 114109.
[20] S. Patankar, Numerical heat transfer and fluid flow, (2018) Taylor & Francis.
[21] S. Roy, U.K. Saha, Wind tunnel experiments of a newly developed two-bladed Savonius-style wind turbine, Applied Energy, 137 (2015)117–125.
[22] M. Tahani, A. Rabbani, A. Kasaeian, M. Mehrpooya, M. Mirhosseini, Design and numerical investigation of Savonius wind turbine with discharge flow directing capability, Energy, 130 (2017) 327-338.
[23] M.C. Ong, T. Utnes, L.E. Holmedal, D. Myrhaug, B. Pettersen, Numerical simulation of flow around a smooth circular cylinder at very high Reynolds numbers, Marine Structures, 22(2) (2009)142-153.
[24] W.D. James, S.W. Paris, G.N. Malcolm, Study of viscous crossflow effects on circular cylinders at high Reynolds numbers, Aiaa Journal, 18 (9) (1980) 1066-1072.
[25] G. Schewe, On the force fluctuations acting on a circular cylinder in crossflow from subcritical up to transcritical      Reynolds numbers, Journal of Fluid Mechanics, 133 (1983) 265-285.
[26] A. Roshko, Experiments on the flow past a circular cylinder at very high Reynolds number, Journal of Fluid Mechanics, 10(3) (1961) 345-356.
[27] S.P. Singh, S.A. Mittal, Flow past a cylinder: shear layer instability and drag crisis, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 47(1) (2005) 75-98.
[28] E. Achenbach, Distribution of local pressure and skin friction around a circular cylinder in cross-flow up to Re= 5× 106, Journal of Fluid Mechanics, 34(4) (1968) 625-639.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 55، شماره 11
بهمن 1402
صفحه 1373-1394

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار