Υπολογιστική μελέτη της επίδρασης του ρυθμού βροχόπτωσης στην αεροδυναμική απόδοση του στροφείου τριπτέρυγου ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα

• Κύριος συγγραφέας: Πυλαρινός, Δημήτριος
• Άλλοι συγγραφείς: Pylarinos, Dimitrios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Αεροδυναμική; Ανεμοκινητήρες; Ρευστοδυναμική; Computational fluid dynamics (CFD)

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης του ρυθμού βροχόπτωσης στην αεροδυναμική συμπεριφορά ενός ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα με την βοήθεια εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics – CFD), του ANSYS Fluent και χρήση των μοντέλων SST k-ω για τον υπολογισμό της τύρβης και Discrete Phase Model για τον υπολογισμό της διφασικής ροής. Στην εισαγωγή, γίνεται μία σύντομη αναφορά στα πλεονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και στα χαρακτηριστικά των δύο βασικών τύπων ανεμοκινητήρων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζονται βασικά θεωρητικά στοιχεία για την κατανόηση του προβλήματος, όπως το οριακό στρώμα και η αποκόλλησή του, η διφασική ροή γύρω από αεροτομή και η αντίσταση της ροής. Ακόμη, στο κεφάλαιο αυτό, ορίζονται τα βασικά αεροδυναμικά μεγέθη και περιγράφεται η αεροδυναμική της αεροτομής, της πτέρυγας και του ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η δημιουργία πρότυπου πτερυγίου 40m, κατασκευασμένου από την αεροτομή NACA-4418. Αρχικά, γίνεται εύρεση της βέλτιστης γεωμετρίας με την βοήθεια του προγράμματος TTBEM και στην συνέχεια σχεδιασμός του πτερυγίου με το πρόγραμμα QBlade. Στο τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας περιγράφονται τα θεωρητικά μοντέλα υπολογιστικής επίλυσης στο λογισμικό Fluent της μονοφασικής και διφασικής ροής. Παρουσιάζονται οι εξισώσεις διατήρησης Navier-Stokes και οι βοηθητικές αυτών οι οποίες περιγράφουν πλήρως ένα ροϊκό πεδίο. Ορίζεται η τυρβώδης ροή και παρουσιάζεται το προτεινόμενο μοντέλο για την επίλυση της τύρβης σε ροή γύρω από ανεμοκινητήρα, SSΤ-k-ω. Τέλος, περιγράφονται οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την επίλυση της ροής σε κινούμενο πλαίσιο αναφοράς (Moving Reference Frame) και οι εξισώσεις των Discrete Phase και Wall-Film μοντέλων τα οποία επιλέγονται για την περιγραφή της διφασικής ροής. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του υβριδικού πλέγματος και αναφέρονται ένα προς ένα τα βήματα για την μοντελοποίηση του συστήματος στο Fluent. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για την αεροδυναμική συμπεριφορά της πτέρυγας σε μονοφασική ροή αέρα με ταχύτητα 15m/s και αριθμό ταχυστροφίας λ=6 και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα για διφασική ροή με πυκνότητες βροχόπτωσης 10, 30 και 60 g/m3. Μελετάται η μεταβολή μεγεθών όπως η στατική πίεση και η διατμητική τάση πάνω στο πτερύγιο, η γραμμική ταχύτητα λόγω περιστροφής, η εξάπλωση του φιλμ νερού πάνω στην πτέρυγα και ο συντελεστής απόδοσης Cp. Επίσης γίνεται μελέτη της επίδρασης του μεγέθους της διαμέτρου των σταγονιδίων της βροχής στον συντελεστή αεροδυναμικής απόδοσης του ανεμοκινητήρα αλλά και της κατανομής μάζας φιλμ νερού στην επιφάνεια του πτερυγίου. Για το σκοπό αυτό γίνονται επιπλέον 3 προσομοιώσεις με διάμετρο σταγονιδίων 0.5, 1 και 2 mm πυκνότητας βροχής 30 g/m3 και ταχύτητας ρευστού 15m/s.