Αεροδυναμική και αεροακουστική ανάλυση ανεμοκινητήρων οριζοντίου άξονα

Abstract

The aim of this study is to represent the aerodynamic and aeroacoustic analysis of horizontal axis wind turbine (ΗAWT) rotors. The calculation of the flow field and the aerodynamic coefficients over the wind turbine rotor are performed using two methodologies, the panel method and the numerical solution of Navier-Stokes equations. These two methodologies are differentiated in the mathematical modeling approach of the flow around the rotor and are utilized in the design and manufacturing phases of horizontal axis wind turbine rotors. Moreover, the results of these two methodologies are compared in terms of the accuracy and the computational time required. For the evaluation of the computational results the experimental wind turbine NREL phase II is chosen as the reference rotor. An invicid/viscous interaction algorithm is developed using integral boundary layer equations coupled with the low order panel method solution in order to account the viscous effects. A parametric analysis of the wind turbine rotor is conducted for different operating conditions. The comparison of the results of the pressure coefficients of the rotating blades for four spanwise positions along the blade with the experimental data shows satisfactory agreement. The analysis of the near and far flow field of HAWT is obtained via CFD by RANS simulations of four different turbulence models (Spalart-Allmaras, k-ε, k-ε RNG and k-ω SST). From the conducted study, it is confirmed the ability of analysis of a HAWT rotor flow field with the RANS equations and the good agreement of the computations with experimental data, when the k-ω SST turbulence model is used. The aeroacoustic analysis of the HAWT is based on the solution of the Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) equation via a computer code developed for this purpose. The radiation patterns of the calculated aeroacoustic noise show that high level amplitudes are calculated for upwind and downwind positions.

Αντικείμενο της εργασίας είναι η αεροδυναμική και αεροακουστική ανάλυση στροφείων ανεμοκινητήρων οριζοντίου άξονα (α-ο-α). Ο υπολογισμός του πεδίου ροής και των αεροδυναμικών συντελεστών του στροφείου ενός ανεμοκινητήρα επιτυγχάνεται κατά δύο τρόπους, με σκοπό την άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων με κριτήρια αφενός την ακρίβεια και αφετέρου την ευκολία ή πρακτικότητα που προσδιορίζεται κύρια σε όρους χρόνου υπολογισμού και διαθεσιμότητας υπολογιστικών πόρων. Οι δύο επιλεγμένοι τρόποι που διαφοροποιούνται στην φυσικο-μαθηματική μοντελοποίηση του προβλήματος ροής γύρω από το στροφείο του ανεμοκινητήρα, αποτελούν δύο δοκιμασμένες μεθοδολογίες ή τεχνικές ανάλυσης και σχεδιασμού περιστρεφόμενων στροφείων, τα οποία μπορούν να λειτουργούν ως κινητήριες μηχανές ή ως εργομηχανές, είναι η μέθοδος των επιφανειακών στοιχείων και η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes. Για την αξιολόγηση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων επιλέχθηκε ως στροφείο αναφοράς, ο πειραματικός ανεμοκινητήρας NREL phase II. Ο αλγόριθμος των επιφανειακών στοιχείων συμπλέχτηκε με ολοκληρωτικά σχήματα πρόλεξης και υπολογισμού του οριακού στρώματος με σκοπό να συμπεριληφθούν τα φαινόμενα συνεκτικότητας της ροής. Πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση του δρομέα του ανεμοκινητήρα για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των συντελεστών πίεσης των περιστρεφόμενων πτερυγίων για τέσσερις θέσεις κατά το εκπέτασμα του πτερυγίου με τα πειραματικά δεδομένα δείχνει ικανοποιητική συμφωνία. Για την ανάλυση του πεδίου ροής που παράγεται γύρω από περιστρεφόμενους δρομείς α-ο-α χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Πραγματοποιήθηκαν RANS προσομοιώσεις για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του ανεμοκινητήρα και για τέσσερα διαφορετικά μοντέλα τύρβης. Το k-ω SST μοντέλο τύρβης έχει τις μικρότερες αποκλίσεις με τα πειραματικά αποτελέσματα. Η αεροακουστική ανάλυση του στροφείου ενός ανεμοκινητήρα επιτυγχάνεται με την επίλυση της ακουστικής εξίσωσης Ffowcs-Williams Hawkings, μέσω ενός υπολογιστικού κώδικα που αναπτύχθηκε γι’ αυτό το σκοπό. Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, φάνηκε στα ροδογράμματα κατευθυντικότητας του ήχου, τα επίπεδα της ακουστικής πίεσης να είναι υψηλότερα για θέσεις παρατηρητή ανάντη και κατάντη του ανεμοκινητήρα.