مطالعه اثر جريان برشي باد بر عملكرد توربين باد محور افقي به‌كمك الگوي ديسك عملگر سه‌بعدي

Wind Shear Flow Effects on Horizontal Axis Wind Turbine Performance, Based on Three-dimensional Actuator Disk Model

در پژوهش حاضر، اثر لايه برشي باد (لايه مرزي اتمسفري) روي عملكرد و رفتار جريان حول روتور توربين باد مرجع MW5 ان.آر.اي.ال. بررسي شده ‌است. براي اين منظور، روش ديسك عملگر سه‌بعدي پايا با دقت قابل قبول و هزينه محاسباتي كم براي حل معادلات جريان حول روتور توسعه داده شده ‌است. با استفاده از قابليت تعريف توابع توسط كاربر در يك نرم‌افزار تجاري برمبناي روش حجم محدود، كدي براي اعمال ممنتوم مجازي به سيال و پروفيل جريان ورودي ناشي از لايه مرزي زمين نوشته شده و معادلات ناوير- استوكس در ميداني استوانه‌اي با اضافه‌شدن عبارت نيروي حجمي به‌عنوان عبارت چشمه حل‌‌ مي‌شود. روش ديسك عملگر سه‌بعدي كه در اين پژوهش توسعه داده شده، قادر است با حل معادلات ناوير- استوكس در تركيب با الگوريتم ممنتوم- المان- پره دقت بهتري از رفتار جريان حول توربين نسبت به روش ممنتوم- المان- پره ارائه كند و درعين حال هزينه محاسباتي كمتري نسبت به حل كامل معادلات جريان داشته باشد. به‌علت عدم‌تقارن جريان ورودي به صفحه روتور، پره‌هاي توربين شرايط مختلفي را درحين دوران تجربه مي‌كنند. بنابراين، توزيع توان و نيروي محوري در راستاي شعاعي پره‌ها در سه موقعيت زاويه‌اي روتور مطالعه شده ‌است. نتايج نشان ‌مي‌دهد كه جريان برشي ورودي به صفحه روتور سبب عدم‌تقارن در الگوي جريان دنباله روتور، ميدان فشار، سرعت و ورتيسيته جريان حول روتور و همچنين بارگذاري متناوب روي پره‌ها مي‌شود. براي پروفيل لايه مرزي اتمسفري انتخاب‌شده در اين پژوهش، بيشترين اختلاف نيروي محوري وارد بر هر پره حدود kN125 است كه مابين دو موقعيت زواياي 90 و 270 درجه درحين دوران رخ مي‌دهد. همچنين، در اين حالت عدم تقارن فيزيك جريان حول روتور سبب ايجاد فشار بيشتر به نيمه بالايي ديسك عملگر شده، باعث ايجاد گشتاوري خمشي بر صفحه روتور مي‌شود.

In the present work, wind shear flow (atmospheric boundary layer) effects on aerodynamic performance of the NREL 5MW baseline wind turbine were investigated. In this regard, the steady three-dimensional actuator disk method, based on computational fluid dynamics with low computational cost, was developed, utilizing user-defined function (UDF) in a finite volume-based commercial software package. The rotor was not modeled directly, such that its momentum effect was added to the Navier-Stokes equations as a body force (source term). The developed solver was adopted to compare the flow field behavior around the rotor under uniform and wind shear inflow conditions. Different cases for the rotor azimuth angle were considered to evaluate the radial distribution of rotor power and thrust. Numerical results show that wind shear inflow leads to skew rotor wake, as well as asymmetrical pressure, vorticity, and velocity fields. Moreover, rotor experiences cyclical loading during each rotation. Note, for the selected wind shear profile of this work, the maximum difference in thrust on the rotor plane is about 125KN for each period of rotation.