Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού
Στη παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε μελέτη μονοφασικής και διφασικής ροής αέρα και αέρα-νερού αντίστοιχα, σε ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα τύπου Savonius (S-type), καθώς και η υπολογιστική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς του, σε μονοφασική και διφασική ροή χρησιμοποιώντας τη...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | https://hdl.handle.net/10889/23401 |
| id |
nemertes-10889-23401 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Υπολογιστική διερεύνηση Ανεμοκινητήρες κάθετου άξονα Διφασική ροή Σωματίδια νερού Computational investigation Savonius Vertical axis wind turbines Two-phase flow Water particles |
| spellingShingle |
Υπολογιστική διερεύνηση Ανεμοκινητήρες κάθετου άξονα Διφασική ροή Σωματίδια νερού Computational investigation Savonius Vertical axis wind turbines Two-phase flow Water particles Ονησιφόρου, Ευθύμιος Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| description |
Στη παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε μελέτη μονοφασικής και διφασικής ροής αέρα και αέρα-νερού αντίστοιχα, σε ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα τύπου Savonius (S-type), καθώς και η υπολογιστική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς του, σε μονοφασική και διφασική ροή χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα Ansys. Στόχος της μελέτης είναι η κατανόηση του θεωρητικού υπόβαθρου της λειτουργίας του ανεμοκινητήρα Savonius καθώς και της μονοφασικής και διφασικής συμπεριφοράς. Επίσης η εργασία αυτή αποσκοπεί στην εύρεση των συντελεστών στατικής ροπής (cm) του ανεμοκινητήρα σε διάφορες γωνιές λειτουργίας, για μονοφασική και διφασική ροή αέρα-νερού σε συνθήκες βροχόπτωσης. Τέλος γίνεται σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων της μονοφασικής ροής με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της διφασικής ροής έτσι ώστε να μελετηθούν οι επιπτώσεις της διφασικής ροής αέρα-νερού στον συντελεστή στατικής ροπής Cm ανεμοκινητήρα.
Η διφασική ροή αέρα-νερού αποτελεί ένα σύνθετο φαινόμενο, του οποίου δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως όλοι οι μηχανισμοί. Μπορεί να θεωρηθεί ως ασυμπίεστη αραιή πνευματική μεταφορά, με τον αέρα ως ρευστό-φορέα και τα σωματίδια νερού ως τη μεταφερόμενη ύλη. Το μοντέλο με το οποίο εξετάζεται το φαινόμενο είναι της διακριτής διφασικής ροής (DPM). Σε αυτό το μοντέλο η δευτερεύουσα φάση θεωρείται διασκορπισμένη μέσα στην κύρια φάση και υπολογίζονται για κάθε σωματίδιο οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης με την περιβάλλουσα ροή. Έτσι εισάγονται σωματίδια στη ροή και στη συνέχεια υπολογίζεται η τροχιά τους καθώς και η αλληλεπίδραση τους με τον αέρα (μεταφορά θερμότητας, μάζας και ορμής).
Η προσομοίωση έγινε με χρήση της υπολογιστικής πλατφόρμας Ansys και συγκεκριμένα μέσω του εμπορικού πακέτου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD), Fluent. Στον υπολογιστικό κώδικα του Fluent γίνεται πρώτα επίλυση των εξισώσεων μεταφοράς και διατήρησης της μονοφασικής ροής για σταθερή ροή και στη συνέχεια, αφού επιτευχθεί σύγκλιση και σταθεροποίηση της ροής, επιλέγεται η εισαγωγή των σωματιδίων νερού μέσω του μοντέλου διακριτής φάσης (Discrete Phase Model) όπως αναφέρθηκε. Η μοντελοποίηση έγινε σε δισδιάστατο (2D) μοντέλο και στην συνέχεια αφού πραγματοποιήθηκε μελέτη ανεξαρτητοποίησης του πλέγματος, ένα πλέγμα των 80.000 κελίων επιλέχθηκε ως το καταλληλότερο.
Συνολικά στην παρούσα διπλωματική διεξάχθηκαν 14 προσομοιώσεις μονοφασικής ροής με τη χρήση δύο μοντέλων τύρβης Realizable k-ε και SST k-ω καθώς και 14 προσομοιώσεις διφασικής ροής με την χρήση του μοντέλου τύρβης SST k-ω για περιεκτικότητες σταγονιδίων νερού LWC = 30 g/m3 και LWC = 65 g/m3. Οι προσομοιώσεις έγιναν με ταχύτητα αέρα 7 m/s όπου λειτουργεί αποδοτικότερα ο ανεμοκινητήρας Savonius, για 7 διαφορετικές γωνιές λειτουργίας των πτερυγίων του ανεμοκινητήρα 0˚, 30˚, 50˚, 90˚, 120˚, 150˚και 180˚.
Τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα των παραπάνω προσομοιώσεων της μονοφασικής και διφασικής ροής για τους διάφορους συντελεστές στατικής ροπής (cm) καθώς και για τις κατανομές της πίεσης και της ταχύτητας κάθε γωνιάς αντίστοιχα. |
| author2 |
Onisiforou, Efthymios |
| author_facet |
Onisiforou, Efthymios Ονησιφόρου, Ευθύμιος |
| author |
Ονησιφόρου, Ευθύμιος |
| author_sort |
Ονησιφόρου, Ευθύμιος |
| title |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| title_short |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| title_full |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| title_fullStr |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| title_full_unstemmed |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| title_sort |
υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού |
| publishDate |
2022 |
| url |
https://hdl.handle.net/10889/23401 |
| work_keys_str_mv |
AT onēsiphoroueuthymios ypologistikēmeletēaerodynamikēssymperiphorasanemokinētērakatakoryphouaxonasediphasikēroēaeranerou AT onēsiphoroueuthymios computationalstudyofaerodynamicbehaviorofaverticalaxiswindturbineintwophaseairwaterflow |
| _version_ |
1771297197678133248 |
| spelling |
nemertes-10889-234012022-10-18T03:34:39Z Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-νερού Computational study of aerodynamic behavior of a vertical axis wind turbine in two-phase air-water flow Ονησιφόρου, Ευθύμιος Onisiforou, Efthymios Υπολογιστική διερεύνηση Ανεμοκινητήρες κάθετου άξονα Διφασική ροή Σωματίδια νερού Computational investigation Savonius Vertical axis wind turbines Two-phase flow Water particles Στη παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε μελέτη μονοφασικής και διφασικής ροής αέρα και αέρα-νερού αντίστοιχα, σε ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα τύπου Savonius (S-type), καθώς και η υπολογιστική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς του, σε μονοφασική και διφασική ροή χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα Ansys. Στόχος της μελέτης είναι η κατανόηση του θεωρητικού υπόβαθρου της λειτουργίας του ανεμοκινητήρα Savonius καθώς και της μονοφασικής και διφασικής συμπεριφοράς. Επίσης η εργασία αυτή αποσκοπεί στην εύρεση των συντελεστών στατικής ροπής (cm) του ανεμοκινητήρα σε διάφορες γωνιές λειτουργίας, για μονοφασική και διφασική ροή αέρα-νερού σε συνθήκες βροχόπτωσης. Τέλος γίνεται σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων της μονοφασικής ροής με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της διφασικής ροής έτσι ώστε να μελετηθούν οι επιπτώσεις της διφασικής ροής αέρα-νερού στον συντελεστή στατικής ροπής Cm ανεμοκινητήρα. Η διφασική ροή αέρα-νερού αποτελεί ένα σύνθετο φαινόμενο, του οποίου δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως όλοι οι μηχανισμοί. Μπορεί να θεωρηθεί ως ασυμπίεστη αραιή πνευματική μεταφορά, με τον αέρα ως ρευστό-φορέα και τα σωματίδια νερού ως τη μεταφερόμενη ύλη. Το μοντέλο με το οποίο εξετάζεται το φαινόμενο είναι της διακριτής διφασικής ροής (DPM). Σε αυτό το μοντέλο η δευτερεύουσα φάση θεωρείται διασκορπισμένη μέσα στην κύρια φάση και υπολογίζονται για κάθε σωματίδιο οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης με την περιβάλλουσα ροή. Έτσι εισάγονται σωματίδια στη ροή και στη συνέχεια υπολογίζεται η τροχιά τους καθώς και η αλληλεπίδραση τους με τον αέρα (μεταφορά θερμότητας, μάζας και ορμής). Η προσομοίωση έγινε με χρήση της υπολογιστικής πλατφόρμας Ansys και συγκεκριμένα μέσω του εμπορικού πακέτου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD), Fluent. Στον υπολογιστικό κώδικα του Fluent γίνεται πρώτα επίλυση των εξισώσεων μεταφοράς και διατήρησης της μονοφασικής ροής για σταθερή ροή και στη συνέχεια, αφού επιτευχθεί σύγκλιση και σταθεροποίηση της ροής, επιλέγεται η εισαγωγή των σωματιδίων νερού μέσω του μοντέλου διακριτής φάσης (Discrete Phase Model) όπως αναφέρθηκε. Η μοντελοποίηση έγινε σε δισδιάστατο (2D) μοντέλο και στην συνέχεια αφού πραγματοποιήθηκε μελέτη ανεξαρτητοποίησης του πλέγματος, ένα πλέγμα των 80.000 κελίων επιλέχθηκε ως το καταλληλότερο. Συνολικά στην παρούσα διπλωματική διεξάχθηκαν 14 προσομοιώσεις μονοφασικής ροής με τη χρήση δύο μοντέλων τύρβης Realizable k-ε και SST k-ω καθώς και 14 προσομοιώσεις διφασικής ροής με την χρήση του μοντέλου τύρβης SST k-ω για περιεκτικότητες σταγονιδίων νερού LWC = 30 g/m3 και LWC = 65 g/m3. Οι προσομοιώσεις έγιναν με ταχύτητα αέρα 7 m/s όπου λειτουργεί αποδοτικότερα ο ανεμοκινητήρας Savonius, για 7 διαφορετικές γωνιές λειτουργίας των πτερυγίων του ανεμοκινητήρα 0˚, 30˚, 50˚, 90˚, 120˚, 150˚και 180˚. Τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα των παραπάνω προσομοιώσεων της μονοφασικής και διφασικής ροής για τους διάφορους συντελεστές στατικής ροπής (cm) καθώς και για τις κατανομές της πίεσης και της ταχύτητας κάθε γωνιάς αντίστοιχα. In this thesis, a study of single and two-phase air and air-water flow, respectively, was carried out in a Savonius type (S-type) vertical axis wind turbine, as well as the computational investigation of its aerodynamic behavior, in single and two-phase flow using the Ansys platform. The aim of the study is to understand the theoretical background of the operation of the Savonius wind turbine as well as of the single and two-phase behavior. Also, the aim of this work was to find the static torque coefficients (cm) of the wind turbine at various operating angles, for single-phase airflow and two-phase air-water flow in rainfall conditions. Finally, a comparison was made between the results of the single-phase flow with the corresponding results of the two-phase flow in order to analyze the effects of the two-phase air-water flow on the wind turbine static torque coefficient. Air-water two-phase flow is a complex phenomenon, the mechanisms of which are not fully understood. It can be considered as incompressible air transport, with air as the carrier fluid and water particles as the transported matter. The model with which the phenomenon was examined is the discrete two-phase flow. In this model the secondary phase was considered dispersed within the primary phase and the interaction forces with the surrounding flow are calculated for each particle. This is how particles are introduced into the flow and then their trajectory was calculated as well as their interaction with the air (heat, mass and momentum transfer). The simulation was done using the Ansys computing platform, specifically through the commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) package, Fluent. In Fluent's computational code, the transport and conservation equations for single-phase flow are first solved for steady flow, and then, after convergence and stabilization of the flow was achieved, the introduction of water particles through the Discrete Phase Model (DPM) was chosen. The modeling was done in a two-dimensional model and after a grid-independence study, a grid of 80,000 cells was chosen as the most suitable. In this thesis a total of 14 single-phase flow simulations using two turbulence models Realizable k-ε and SST k-ω, as well as 14 two-phase flow simulations using the SST k-ω turbulence model for water droplet contents LWC = 30 g/m3 and LWC = 65 g/m3 were carried out. The simulations were done with a wind speed of 7 m/s where the Savonius wind turbine works most efficiently, for 7 different operating angles of the wind turbine blades 0˚, 30˚, 50˚, 90˚, 120˚, 150˚ and 180˚. Finally, the results of the above simulations are presented and commented on, for the various static torque coefficients (cm) as well as for the pressure and velocity distributions of each angle 2022-10-17T07:55:01Z 2022-10-17T07:55:01Z 2022-10-14 https://hdl.handle.net/10889/23401 el Attribution 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/ application/pdf |
