Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση ροϊκής συμπεριφοράς στροφείων ανεμοκινητήρων σε πολυφασικές ροές

Abstract

The main subject of the current doctoral thesis is the computational study of the aerodynamic behavior of wind turbine rotors operating in multiphase flows, such as in air–sand particles two-phase flow or under hailstorm conditions, as well as the experimental investigation of the aerodynamic behavior of NACA 0012 and NREL S809 airfoils in air–sand particles two-phase flows consisted of three different concentrations of particles in the air, aiming to the estimation of the power coefficient of a three-bladed Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT).The novelty of the doctoral thesis concerns the study of the aerodynamic behavior of airfoils and wind turbine rotors operating at different air velocities and in various multiphase flows. The obtained computational results regarding the operation of the airfoils and the rotors in air flow are compared to the corresponding results in multiphase flows in order to find the impact of the particles on the aerodynamic performance of the airfoils, as well as on the power coefficient and on the generated power of wind turbines.First of all, the aerodynamic behavior of NACA 0012 and NREL S809 airfoils operating in air flow is studied by the help of a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) Code for five turbulence models and at five different Reynolds numbers, that correspond to air velocities ranging from 7.30 m/s to 43.82 m/s. The flow around the airfoils is simulated for the angles of attack 0˚, ±3˚, ±5˚, ±9˚, 12˚, 14˚ and 16˚, and the obtained aerodynamic coefficients of the airfoils are compared with reliable experimental data, in order to validate the computational method. Then, the most appropriate turbulence model is selected at every Reynolds number. Furthermore, the contours of static pressure around the airfoils at a selected number of angles of attack are presented. The stagnation point, as well as the values of static pressure on the upper and the lower surface of the airfoils are observed.Regarding the aerodynamic behavior of the airfoils in air-sand particles two-phase flow, it is investigated computationally at the same air velocities for two turbulence models, which cooperate well with the Discrete Phase Model (DPM). Two-phase flows consisted of three different concentrations of sand particles in the air are examined, and the emerged results are compared with corresponding air flow results, in order to show the impact of sand particles on the aerodynamic behavior of the bodies. More specifically, the obtained lift and drag coefficients are used in order to estimate the power coefficient of a three bladed HAWT. Moreover, the contours of sand particle concentration and static pressure around the airfoils are presented and compared with the corresponding contours of air flow.Following, the hailstorm conditions around the airfoils are simulated for one turbulence model and at three different Reynolds numbers, and the obtained numerical results regarding the aerodynamic coefficients are used for the estimation of a HAWT power coefficient. Also, the contours of static pressure, as well as the contours of the concentration of raindrops and hailstones around the airfoil operating under hailstorm conditions are illustrated, and the wall film height on the surface of the airfoil is shown.Finally, the flow field around the rotor of a three-bladed HAWT with optimized blades operating in air flow, in air-sand particles two-phase flow and in hailstorm conditions is investigated computationally. The simulations are accomplished by the help of the SST k–ω turbulence model at various air velocities, and then a comparison between the power output of the wind turbine operating in different environmental conditions is conducted. The contours of velocity at different planes parallel to the rotor, as well as the contours of static pressure on the blade surface, when the wind turbine operates at different flow conditions, are studied. The two-phase flow results are compared to these of air flow, and the concentration of sand particles around the rotor and the erosion and accretion rates on the blades are studied. As regards the hailstorm conditions, the concentration of raindrops and hailstones over the blade is presented. Moreover, the areas in which water film forms are identified, and then the wall film height as well as the collision, accretion and erosion rates are examined.Regarding the experimental investigation of the aerodynamic behavior of the airfoils in air-sand particles two-phase flow, the configuration made at the wind tunnel for the experiment conduction is described in detail, and the results obtained for the aerodynamic coefficients are presented graphically.The present study shows that the impact of multiphase flows, i.e., air-solid sand particles two-phase flow and air-water-hailstones three-phase flow, on the flow behavior of wind turbine rotors is a complex process, which can be simulated by the help of the commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code. The aerodynamic efficiency of a wind turbine operating in multiphase flows decreases due to the impingement of solid particles or their breakup on the blade surface, resulting to increased weight and roughness of the blades. This decrease gets more intense when more particles are added in the air flow.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι πρωτίστως η υπολογιστική διερεύνηση της ροϊκής συμπεριφοράς στροφείων ανεμοκινητήρων σε πολυφασικές ροές, όπως είναι η διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου διαφόρων περιεκτικοτήτων και η τριφασική ροή αέρα–νερού–χαλαζιού (χαλαζόπτωση), και έπειτα η πειραματική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς των αεροτομών τύπου NACA 0012 και NREL S809 σε τρεις περιπτώσεις διφασικής ροής αέρα–σωματιδίων άμμου, με στόχο την εκτίμηση του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος ενός τριπτέρυγου ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα.Η πρωτοτυπία της διατριβής αφορά στην μελέτη της αεροδυναμικής συμπεριφοράς αεροτομών και στροφείου ανεμοκινητήρα σε διάφορες ταχύτητες ροής και σε πολυφασικές ροές. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που λήφθηκαν για τη λειτουργία των αεροτομών και του ανεμοκινητήρα σε μονοφασική ροή αέρα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα σε πολυφασικές ροές, ώστε να βρεθεί η επίδραση που έχουν τα σωματίδια των δευτερευουσών φάσεων στην αεροδυναμική απόδοση των αεροτομών, και στον συντελεστή ισχύος και την παραγόμενη ισχύ ανεμοκινητήρων.Αρχικά μελετάται υπολογιστικά η αεροδυναμική συμπεριφορά των αεροτομών τύπου NACA 0012 και NREL S809 σε μονοφασική ροή αέρα με τη βοήθεια εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Χρησιμοποιούνται πέντε διαφορετικά μοντέλα τύρβης για πέντε διαφορετικούς αριθμούς Reynolds, οι οποίοι αντιστοιχούν σε ταχύτητες ροής οι τιμές των οποίων κυμαίνονται από 7.30 m/s έως 43.82 m/s. Η ροή γύρω από τις αεροτομές προσομοιώνεται σε κάθε περίπτωση για γωνίες προσβολής 0˚, ±3˚, ±5˚, ±9˚, 12˚, 14˚και 16˚, και τα υπολογιστικά αποτελέσματα για τους αεροδυναμικούς συντελεστές των αεροτομών συγκρίνονται στην πλειονότητά τους με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας, ώστε να καταστεί έγκυρος ο τρόπος επίλυσης, και εντοπίζεται το καταλληλότερο μοντέλο τύρβης σε κάθε ταχύτητα ροής. Από την παρούσα υπολογιστική μελέτη, εκτός από τους αεροδυναμικούς συντελεστές άνωσης και αντίστασης των αεροτομών και τις γραφικές τους απεικονίσεις, παρουσιάζονται κατανομές της στατικής πίεσης γύρω από τις αεροτομές για επιλεγμένες γωνίες προσβολής, στις οποίες παρατηρείται η συμπεριφορά του σημείου ανακοπής.Ακολούθως, για τις ίδιες ταχύτητες ροής διερευνάται υπολογιστικά η αεροδυναμική συμπεριφορά των αεροτομών σε διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου με δύο μοντέλα τύρβης, τα οποία συνεργάζονται καλώς με το μοντέλο διακριτής φάσης (Discrete Phase Model – DPM). Εξετάζονται τρεις διαφορετικές περιεκτικότητες σωματιδίων άμμου στον αέρα, και στη συνέχεια, τα αποτελέσματα που αφορούν την κάθε περίπτωση διφασικής ροής συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της μονοφασικής ροής αέρα, ώστε να βρεθεί ο αντίκτυπος που έχει η ύπαρξη στερεών σωματιδίων άμμου στην αεροδυναμική απόδοση των σωμάτων. Πιο συγκεκριμένα, για κάθε γωνία προσβολής προκύπτουν οι αντίστοιχοι συντελεστές άνωσης και αντίστασης, από τους οποίους εκτιμάται ο συντελεστής ισχύος τριπτέρυγου ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα. Επίσης, παρουσιάζονται οι κατανομές της συγκέντρωσης σωματιδίων άμμου γύρω από τις αεροτομές για όλες τις περιεκτικότητες σωματιδίων που εξετάζονται και οι κατανομές της στατικής πίεσης γύρω από τις αεροτομές, οι οποίες συγκρίνονται με τις αντίστοιχες της ροής αέρα. Έπειτα, μελετάται η τριφασική ροή αέρα–νερού–χαλαζιού γύρω από τις αεροτομές με ένα μοντέλο τύρβης και για τρεις ταχύτητες αέρα, και προκύπτουν οι υπολογιστικές τιμές του συντελεστή άνωσης και του συντελεστή αντίστασης σε συνθήκες χαλαζόπτωσης, με τη βοήθεια των οποίων εκτιμάται ο συντελεστής ισχύος ανεμοκινητήρα. Επιπλέον, απεικονίζονται οι κατανομές της στατικής πίεσης γύρω από τις αεροτομές σε συνθήκες χαλαζόπτωσης, η συγκέντρωση σταγονιδίων νερού και χαλαζόκοκκων γύρω από τις αεροτομές, και μελετάται η συμπεριφορά και το πάχος του υδάτινου υμενίου (φιλμ νερού) στις επιφάνειες των αεροτομών.Στη συνέχεια, επιλύεται το ροϊκό πεδίο γύρω από στροφείο ανεμοκινητήρα με τρία βελτιστοποιημένα πτερύγια σε μονοφασική ροή αέρα, διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου και τριφασική ροή αέρα–νερού–χαλαζιού. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιούνται για διάφορες ταχύτητες αέρα με χρήση του μοντέλου τύρβης SST k–ω. Υπολογίζεται η ισχύς του ανεμοκινητήρα σε μονοφασική, διφασική και τριφασική ροή και τα αποτελέσματα συγκρίνονται μεταξύ τους. Σε κάθε περίπτωση ροής μελετάται η κατανομή της ταχύτητας σε διάφορες περιοχές κοντά στο στροφείο και η κατανομή της στατικής πίεσης πάνω στο πτερύγιο. Όσον αφορά τη διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου, συγκρίνονται τα αποτελέσματα με τα αντίστοιχα της μονοφασικής ροής, και ακόμη μελετάται η συγκέντρωση της άμμου γύρω από το στροφείο, ο ρυθμός επικάθησής της πάνω στο πτερύγιο, και ο ρυθμός με τον οποίο υπόκεινται σε διάβρωση διάφορες περιοχές του πτερυγίου. Από την υπολογιστική διερεύνηση της τριφασικής ροής αέρα–νερού–χαλαζιού, προκύπτουν επιπλέον οι κατανομές της συγκέντρωσης χαλαζόκοκκων και σταγονιδίων νερού πάνω στο πτερύγιο, εντοπίζονται οι περιοχές στις οποίες δημιουργείται φιλμ νερού, μελετάται το ύψος του, εξετάζεται ο ρυθμός προσκόλλησης και επικάθησης των σωματιδίων πάνω στο πτερύγιο, καθώς και ο ρυθμός με τον οποίο υπόκειται το πτερύγιο σε διάβρωση.Σχετικά με την πειραματική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφορά αεροτομών σε διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου, περιγράφεται η διαμόρφωση που έγινε στην αεροσήραγγα για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, και παρουσιάζονται γραφικά τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τους αεροδυναμικούς συντελεστές.Από την παρούσα μελέτη προκύπτει ότι η επίπτωση των πολυφασικών ροών, και πιο συγκεκριμένα της διφασικής ροής αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου και της τριφασικής ροής αέρα–νερού–χαλαζιού, στη ροϊκή συμπεριφορά στροφείων ανεμοκινητήρα είναι μία πολύπλοκη διαδικασία, η οποία μπορεί να προσομοιωθεί με τη βοήθεια του εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Σε πολυφασικές ροές και με την προσθήκη σωματιδίων στον αέρα η αεροδυναμική απόδοση ενός ανεμοκινητήρα μειώνεται λόγω της πρόσκρουσης ή της διάσπασης σωματιδίων πάνω στα πτερύγια, φαινόμενα που οδηγούν στην αύξηση του βάρους και της τραχύτητας των πτερυγίων.