This work deals with a computational investigation emphasized on the calibration of a turbulence model regarding to the operational capability of a SS-HAWT (small-scale horizontal axis wind turbine). Experimental field tests were carried out to collect data to evaluate the performance (power) coefficient, Cp, as a function of the tip-speed ratio, λ. The prototype examined was a three-bladed wind turbine (NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) 0012 profile) designed for fixed tip-speed ratio (with λ = 5), constructed and operated at the Federal University of Ceará. The maximum value experimentally achieved for Cp was about 14%. The k–ω SST (shear stress transport) turbulence model, solved by the open source CFD (computational fluid dynamics) toolbox OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation), assessed the wind turbine performance. The experimental data information obtained reporting the aerodynamic performance of the SS-HAWT prototype was required to calibrate the model. The turbulence intensity and the characteristic length were studied in terms of the β∗parameter. The power coefficient numerically predicted tends to agree with the experimental assessment. The variation of β∗ mainly affects viscous friction over the blades

چکیده

این کار، یک پژوهش محاسباتی با تاکید بر کالیبراسیون یک مدل جریان مغشوش مربوط به توانایی اجرایی یک SS-HAWT (توربین بادی با محور افقی در مقیاس کوچک) است. آزمون های میدانی تجربی برای جمع آوری داده ها انجام شده اند تا ضریب عملکرد (توان) CP را به صورت تابعی از نسبت سرعت نوک پره، λ براورد کنند. نمونه اولیه بررسی شده، یک توربین بادی سه پره ای بود (NACA (کمیته مشورتی ملی هوانوردی) شکل 0012) که برای یک نسبت سرعت نوک پره ثابت در دانشگاه فدرال سیارا، طراحی گردید (با λ=5)، ساخته شد و مورد بهره برداری قرار گرفت. بیشینه مقداری که به صورت تجربی برای CP به دست آمد، در حدود 14% بود. مدل جریان مغشوش SST (انتقال تنش برشی) k-ω به کمک جعبه ابزار CFD (دینامیک شاره محاسباتی) منبع باز OpenFOAM (اجرا و دستکاری فیلد منبع باز) حل شد و عملکرد توربین بادی را ارزیابی کرد. اطلاعات داده های تجربی به دست آمده که عملکرد ائرودینامیکی نمونه اولیه SS-HAWT را گزارش کند، برای کالیبره کردن مدل مورد نیاز بود. طول مشخصه و شدت جریان مغشوش بر حسب پارامتر β* مورد مطالعه قرار گرفت. ضریب توان که به صورت عددی پیش بینی می شود، تقریباً با ارزیابی تجربی موافق است. متغیر β* اساساً بر اصطکاک ویسکوز روی پره ها تاثیر می گذارد.

-1مقدمه

SS-HAWT ها (توربین های بادی با محور افقی در مقیاس کوچک) که به اندازه کافی ایمن باشند و راه اندازی آن به هدف تولید توان مستقل و خود کفا آسان باشد [1]، در حال تبدیل شدن به یک موضوع پژوهشی جالب توجه هستند [2-6]. این ماشین ها تنها بر گشتاور تولید شده توسط فعالیت باد بر روی پره ها تکیه دارند. این امر بدین دلیل است که توربین ها به طور کلی مولدی ندارند که به عنوان یک موتور عمل کند و زمانی که باد آنقدر قوی است که شروع به تولید توان کند، روتور را به حرکت درآورند و به آن شتاب دهند [7]. به ویژه، پره های یک SS-HAWT باید در کمترین سرعت باد محتمل شروع به چرخش کنند تا بیشینه توان ممکن [8]، بدون لزوم بهترین شرایط بادی، استخراج شود [9]…