مطالعه عددي توربين داريوس با استفاده از مدل شش درجه آزادي براي درنظرگرفتن اثر اينرسي و برهم‌كنش ميان سيال و جسم صلب

Numerical simulation of Darrieus wind turbine using 6DOF model to consider the effect of inertia and the fluid-solid interaction

توربين بادي داريوس برخلاف توربين‌هاي محورافقي با مشكل خود راه‌اندازي مواجه است. محاسبه شتاب و گشتاور نوساني توربين‌هاي بادي محورعمودي، به دليل نياز به حل همزمان معادلات اويلري حاكم بر جريان سيال و معادلات لاگرانژي حاكم بر بدنه صلب توربين، داراي پيچيدگي و محاسبات بالايي است. اما در بيشتر مطالعات انجام‌شده با صرف نظر از اثر ممان اينرسي، سرعت زاويه‌اي توربين مشخص و ثابت فرض شده است. در اين مطالعه با محاسبه برآيند نيروهاي آيروديناميكي ناشي از باد و نيروهاي خارجي ناشي از اصطكاك و ژنراتور، شتاب، سرعت و موقعيت توربين با انتگرال گيري از قانون دوم نيوتن محاسبه مي‌شود. معادلات حاكم بر سيال بر اساس روش حجم محدود گسسته و توسط الگوريتم پيزو حل شده است. شبيه‌سازي به‌صورت غيرپايا و از شبكه ديناميك براي بررسي حركت روتور استفاده شده است. نتايج شبيه-سازي حركت توربين از لحظه سكون تا رسيدن به سرعت حدي نشان مي دهد كه با در نظرگرفتن اثر متقابل جريان باد و پره هاي صلب مي توان دريافت كه با افزايش ممان اينرسي، زمان رسيدن به سرعت حدي افزايش مي يابد. نتايج نشان مي دهد در ابتداي حركت گشتاور راه اندازي اين توربين كم است و با افزايش سرعت دوراني، ابتدا گشتاور توليدي افزايش و سپس كاهش مي يابد. همچنين نتايج نشان مي دهد در سرعت دوراني كمتر از حد بهينه، واماندگي بالا و گريز جريان از داخل روتور بدون برخورد با پره‌ها موجب افت توان توليدي مي‌شود. نتايج بررسي اثر ممان اينرسي نشان مي دهد اين پارامتر نقش مهمي بر فركانس و دامنه‌ي سرعت زاويه‌اي و گشتاور توربين دارد كه در تحليل مكانيكي پره‌ها مانند پديده خستگي از اهميت زيادي برخوردار است.

Unlike HAWT, Darrieus wind turbine is faced with the self-start problem and high fluctuations at output torque. Because of the need for techniques based on meshing and coupling Eulerian fluid equations and the Lagrangian equations for moving rigid body, the calculation of rigid body acceleration and fluctuations torque of VAWT is very complicated and is a function of the moment of inertia of the turbine. In most studies, regardless of this effect, the angular velocity of turbine is assumed to be fixed. In this study, for calculating the turbine rotational speed and position, the sum of wind-driven aerodynamic forces and external forces caused by friction and generators is calculated and placed into Newtonʹs second law to calculate the acceleration, and integrate it in time steps. The governing equations of fluid are discretized based on finite volume method and coupled by Piso algorithm. The simulation is performed unsteady and dynamic mesh is used for moving the rotor. The results could check the interaction between wind and rigid blades in the process of increasing the rotational speed of turbine, and simulate the rotor from the moment of rest until the turbine reaches its final rotational speed. The causes of reduction in torque at low rotational speed are investigated and it has been shown that high dynamic stall and passing high exergy flow into the rotor without interaction with blades results in power reduction. Moment of inertia has significant impact on the frequency and amplitude of rotational velocity, fluctuations of output torque and output power, which is important in mechanical analysis of blades’ fatigue.