Krzysztof Rogowski

Analysis of Performance of the Darrieus Wind Turbines

Streszczenie:

Analiza obciążeń aerodynamicznych turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu z wirnikiem typu Darrieusa stanowi duży problem zarówno z punktu widzenia badań eksperymentalnych jak i obliczeń numerycznych z powodu dużych kątów natarcia jak również fenomenu oderwania dynamicznego. W pracy postawiono następujące cele: określenie zakresu stosowalności metod numerycznej mechaniki płynów (Computational Fluid Dynamics – CFD) do analizy obciążeń aerodynamicznych turbiny typu Darrieusa; analiza wpływu różnych modeli turbulencji na otrzymane rezultaty obciążeń aerodynamicznych; porównanie otrzymanych wyników numerycznych z innymi uproszczonymi modelami aerodynamiki turbiny typu Darrieusa a także z wynikami badań eksperymentalnych.

Siły oraz momenty aerodynamiczne przedstawione zostały w postaci bezwymiarowych współczynników sił i momentów w funkcji bezwymiarowego wyróżnika szybkobieżności. Do analizy obciążeń aerodynamicznych wykorzystano trzy dwuwymiarowe modele turbin typu Darrieusa, różniące się parametrami geometrycznymi (średnicą wirnika, profilem i cięciwą) oraz mocą. Do obliczeń wybrano turbiny o mocach: 1.3kW, 7kW oraz 40kW.

 Do obliczeń CFD wykorzystany został komercyjny pakiet ANSYS Fluent. Wyniki obliczeń numerycznych porównane zostały z obciążeniami aerodynamicznymi otrzymanymi za pomocą uproszczonego modelu dwudyskowego zwanego Double-Multiple Streamtube (DMS), dla którego opracowano własny kod numeryczny. Wyniki obliczeń turbiny o mocy 40kW porównane zostały dodatkowo z wynikami uzyskanymi przez innych autorów za pomocą modelu jednodyskowego zwanego Single Streamtube. Wyniki obliczeń osiągów turbiny o mocy 1.3kW porównane zostały dodatkowo z wynikami eksperymentu przeprowadzonego w McMaster University.

Obliczenia numeryczne wykonane zostały dla kilku różnych modeli turbulencji, z których najkorzystniejszym okazał się model k-ω SST. Porównane zostały współczynniki wyhamowania prędkości powietrza w obrębie wirnika turbiny wiatrowej dla modelu DMS oraz CFD. Porównane zostały również wyniki pomiarów eksperymentalnych sił aerodynamicznych (siły nośnej oraz siły oporu) dla profilu NACA0015 dla przepływu ustalonego przy małych liczbach Reynoldsa z wynikami obliczeń numerycznych. Zbadano również wpływ wymiarów wirtualnego tunelu aerodynamicznego na siły i momenty aerodynamiczne.

W pracy wykazano, że metody numeryczne dają się zastosować w pewnym określonym zakresie wyróżników szybkobieżności natomiast zawodzą dla wyróżników szybkobieżności, przy których kąt natarcia jest duży oraz oderwanie dynamiczne odgrywa istotną rolę. Można stwierdzić, że metody numeryczne mogą być wykorzystane w obliczeniach optymalizacyjnych jak również w analizie aeroelastycznej. Ponadto w pracy pokazano, że metody numeryczne dają znacznie dokładniejsze wyniki w przypadku wirników turbin o dużym wypełnieniu w porównaniu z metodami uproszczonymi. Co więcej obliczenia numeryczne znalazły zastosowanie w testowaniu modeli uproszczonych aerodynamiki wirnika turbiny typu Darrieusa.