تحلیل جریان ناپایا حول یک ایرفویل توربین باد نوسانی توسط کد متن باز OpenFOAM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این مطالعه عددی با استفاده از کد متن­باز OpenFOAM، جریان هوای دو بعدی بر روی یک ایرفویل توربین باد در دوحالت ثابت و نوسانی با عدد رینولدز متوسط 400000 بررسی شده است . پره­های توربین باد به علت جریان ناپایای اطراف آن در معرض حرکت­های نوسانی مختلفی قرار می­گیرند که حرکت پیچشی سینوسی به عنوان یکی از حرکت­های پایه نیازمند بررسی دقیق می­باشد تا از ایجاد بارهای وارده ناشی از پدیده واماندگی دینامیکی بر پره­های توربین باد جلوگیری شود.  هدف این مقاله، افزایش دقت در پیش­بینی و تحلیل پیرامون پدیده­های ناپایای بوجود آمده در حرکت پیچشی یک ایرفویل NACA سری 6 توربین باد در نواحی نزدیک و بعد از واماندگی استاتیکی می­باشد. جهت اعتبارسنجی نتایج عددی، از داده­های تجربی موجود که در اختیار نویسندگان می­باشد استفاده شده است. با توجه به نتایج بدست آمده مشاهده می­شود که شبیه­سازی عددی با مدل­سازی آشفتگی به روش k-ω-SST با تصحیح­گر رینولدز پایین، دقت بالایی را در ثبت پدیده­های فیزیکی موجود و درنتیجه در تخمین ضرایب آیرودینامیکی و ضریب فشار حول ایرفویل نوسانی در نواحی مختلف فراهم می­آورد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Shipley D., Miller M. and., Robinson M., Dynamic Stall Occurrence on a Horizontal Axis Wind Turbine Blade, Technical Report, NREL/TP-442-6912, National Renewable Energy Laboratory, 1995.
[2]  Butterfield C. P., Aerodynamic pressure and flow visualisation measurement from a rotating wind turbine blade, Proceedings of The 8th ASME Wind Energy Sumposium, Houston, Texas, 1989.
[3]  McAlister K. W., Carr L. W. and McCroskey W. J., Dynamic stall experiments on the NACA0012 airfoils, Technical Report, NASA, paper 1100, 1978.
[4]  McCroskey W. J., Carr L. W., McAlister K. W. and Pucci S. L.,An experiment study of dynamic stall on advanced airfoil sections, Technical Report, NASA TM-84245, 1982.
[5]  McCroskey W. J., The Phenomenon of Dynamic Stall, Technical Report, NASA TM-81264, 1981.
[6]  McCroskey W. J., Unsteady Airfoils, Annual Review of Fluid Mechanics 14, pp. 285-311, 1981.
[7]  Carr L. W., Progress in Analysis and Prediction of Dynamic Stall, Journal of Aircraft, Vol. 25, No. 9, pp. 6-17, 1988.
[8]  Piziali R. A. . 2-D and 3-D oscillating wing aerodynamics for a range of angles of attack including stall. Technical Report TR 94-A001. NASA; 1994 .
[9]  Ekaterinaris J. A. and Menter F. R., Computation of oscillating airfoil flows with one-and two-equation turbulence models. AIAA J 1994;32(12):2359–65 .
[10] Barakos G. N. and Drikakis D., Unsteady separated flows over manoeuvering lifting surfaces, Philosophical Transactions of The Royal Society,  Vol. 358, pp. 3279-3291, 2000.
[11]  Nandi T. N., Brasseur J., and Vijayakumar G., Prediction and Analysis of the Nonsteady Transitional Boundary Layer Dynamics for flow over an Oscillating Wind Turbine Airfoil using the γ-Reθ ransition Model, 34th Wind Energy Symposium. San Diego, California, USA. 
[12] M. R. Amiralaei, H. Alighanbari, S. M. Hashemi, An investigation into the effects of unsteady parameters on the aerodynamics of a low Reynolds number pitching airfoil, Journal of Fluids and Structures, Vol. 26, pp. 979-993, 2010.
[13]  Lu K., Xie Y. H. and Zhang D.,. Numerical study of large amplitude, nonsinusoidal motion and camber effects on pitching airfoil propulsion. Journal of Fluids and Structures 36, 184–194, 2013a.
[14] Poirel D., Me´tivier V. and Dumas G., Computational aeroelastic simulations of self-sustained pitch oscillations of a NACA0012 at transitional Reynolds numbers. Journal of Fluids and Structures 27, 1262–1277, 2011.
[15] Lee T. and Gerontakos P., Investigation of flow over an oscillating airfoil. Journal of Fluid Mechanics 512, 313–341, 2004.
[16]  Martinat G., Braza M., Hoarau Y. and Harran G., Turbulence modelling of the flow past a pitching NACA0012 airfoil at 105 and 106 Reynolds numbers, J. Fluids Struct. Vol. 24, pp. 1294–1303, 2008.
[17] Wang S., Ingham D. B., Ma L., Pourkashanian M. and Tao Z., Numerical investigations on dynamic stall of low Reynolds number flow around oscillating airfoils. Comput Fluids 39:1529–41, 2010.
[18] Wang S., Ingham D. B., Ma L., Pourkashanian M. and Tao Z., Turbulence modeling of deep dynamic stall at relatively low Reynolds number. J Fluids Struct;33:191–209, 2012.
[19] Lu K., Xie Y. H., Zhang D. and Lan J. B., Numerical investigations into the asymmetric effects on the aerodynamic response of a pitching airfoil. Journal of Fluids and Structures 39, 76–86, 2013.
[20] Gharali K. and Johnson D. A., Dynamic stall simulation of a pitching airfoil under unsteady freestream velocity. J Fluids Struct ;42:228–44, 2013.
[21] Yu G. H., Zhu X. C. and Du Z. H., Numerical simulation of a wind turbine airfoil: dynamic stall and comparison with experiments, Journal of Power and Energy, Vol. 224, No. 5, pp.  657-677, 2010.
[22] Zhou Z., Li C., Nie J. B. and Chen Y., Effect of oscillation frequency on wind turbine airfoil dynamic stall, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Vol. 52, 2013.
[23] Nagarajan S., Hahn S. and Lele S., Prediction of sound generated by a pitching airfoil: a comparison of RANS and LES. Proceedings of AIAA/CEAS aeroacoustics conference, Cambridge, Massachusetts, 2006.
[24] Kim Y. and Xie Z. T., Modelling the effect of freestream turbulence on dynamic stall of wind turbine blades, Computers and Fluids, Vol. 129, pp. 53-66, 2016.
[25] OpenFOAM. User guide 2.3.1. Technical Report. OpenFOAM®,2014;http://www.openfoam.com/documentation/user-guide/ .
[26] Jasak H. and Tukovic Z., Automatic Mesh Motion for the Unstructured Finite Volume Method, Transactions of FAMENA, Vol. 30, pp. 1-20, 2006.
[27] Dumlupinar E. and Murthy V. R., Investigation of dynamic stall of airfoils and wings by CFD, 29th AIAA Applied Aerodynamics Conference,  Honolulu, Hawaii, 2011.
[28] Correa A. F. M., Sales T. P., Rade D. A. and Souza F. J., Study of the    flow over an oscillating NACA0012 airfoil, National congress of mechanical engineering (CONEM 2014), Uberlandia, Brazil , Aug 10–15, 2014.
[29] Spalart P. R. and Allmaras S. R., A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flows, Recherche Aerospatiale, No. 1, pp. 5-21, 1994.            
[30] Menter F. R., Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications, AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, pp. 1598-1605, 1994.
[31] Karbasian H. R., Esfahani J. A. and Barati E., Effect of acceleration on dynamic stall of airfoil in unsteady operating conditions. Wind Energy 2014.
[32] Lin M. and Sarlak H., A comparative study on the flow over an airfoil using transitional turbulence models, AIP Conference Proceedings 1738 (1), 030050, 2016