Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα, τύπου Savonius (τύπου S), σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου. Στόχος της μελέτης είναι η κατανόηση του θεωρητικού υπόβαθρου της λειτουργίας του ανεμοκινητ...
| Main Author: | |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Language: | Greek |
| Published: |
2022
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://hdl.handle.net/10889/23406 |
| id |
nemertes-10889-23406 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Υπολογιστική μελέτη Ανεμοκινητήρες κατακόρυφου άξονα Διφασική ροή Σωματίδια άμμου Computational study Vertical axis wind turbines Savonius Two-phase flow Sand particles |
| spellingShingle |
Υπολογιστική μελέτη Ανεμοκινητήρες κατακόρυφου άξονα Διφασική ροή Σωματίδια άμμου Computational study Vertical axis wind turbines Savonius Two-phase flow Sand particles Ζεμπύλας, Δημήτρης Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| description |
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα, τύπου Savonius (τύπου S), σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου. 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, στις διάφορες γωνίες λειτουργίας του ανεμοκινητήρα για μονοφασική ροή αέρα και διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου. 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-σωματιδίων άμμου στον συντελεστή στατικής ροπής του ανεμοκινητήρα.
Η διφασική ροή αέρα – σωματιδίων άμμου αποτελεί ένα σύνθετο φαινόμενο, του οποίου δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως όλοι οι μηχανισμοί. Θεωρείται ως ασυμπίεστη αραιή πνευματική μεταφορά, με τον αέρα ως ρευστό-φορέα και τα σωματίδια άμμου ως τη μεταφερόμενη ύλη. Το μοντέλο με το οποίο εξετάζεται το φαινόμενο είναι αυτό της διακριτής διφασικής ροής (DPM). Στο μοντέλο αυτό η δευτερεύουσα φάση θεωρείται διασκορπισμένη μέσα στην κύρια φάση όπου οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης με την περιβάλλουσα ροή υπολογίζονται για κάθε σωματίδιο.
Η προσομοίωση έγινε με χρήση της υπολογιστικής πλατφόρμας Ansys και συγκεκριμένα μέσω του εμπορικού πακέτου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD) Fluent, όπου μέσω του υπολογιστικού κώδικα έγινε η 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 άμμου μέσω του μοντέλου διακριτής φάσης όπως προαναφέρθηκε. Η μοντελοποίηση έγινε σε δισδιάστατο μοντέλο (2D) και μετά από μελέτη ανεξαρτητοποίησης του πλέγματος, ένα πλέγμα των 80000 κελίων επιλέχθηκε ως το καταλληλότερο.
Σε αυτήν την διπλωματική εργασία διεξάχθηκαν συνολικά 14 προσομοιώσεις μονοφασικής ροής με τη χρήση δύο μοντέλων τύρβης, του Realizable k-ε και του SST k-ω, καθώς και 14 προσομοιώσεις διφασικής ροής, με τη χρήση του μοντέλου τύρβης SST k-ω, για περιεκτικότητες σωματιδίων άμμου Q=0.01 kg/s και Q=0.1 kg/s. Οι προσομοιώσεις έγιναν με ταχύτητα αέρα u=7 m/s, όπου λειτουργεί αποδοτικότερα ο ανεμοκινητήρας Savonius, για 7 διαφορετικές γωνιές λειτουργίας των πτερυγίων του ανεμοκινητήρα 0º, 30º, 50º, 90º, 120º,150º και 180º.
Τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται 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 |
Zembylas, Demetris |
| author_facet |
Zembylas, Demetris Ζεμπύλας, Δημήτρης |
| author |
Ζεμπύλας, Δημήτρης |
| author_sort |
Ζεμπύλας, Δημήτρης |
| title |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| title_short |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| title_full |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| title_fullStr |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| title_full_unstemmed |
Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| title_sort |
υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου |
| publishDate |
2022 |
| url |
https://hdl.handle.net/10889/23406 |
| work_keys_str_mv |
AT zempylasdēmētrēs ypologistikēmeletēaerodynamikēssymperiphorasanemokinētērakatakoryphouaxonasediphasikēroēaerasōmatidiōnammou AT zempylasdēmētrēs computationalstudyofaverticalaxiswindturbineoperatinginairsandparticlestwophaseflow |
| _version_ |
1771297317897371648 |
| spelling |
nemertes-10889-234062022-10-18T03:36:29Z Υπολογιστική μελέτη αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου Computational study of a vertical axis wind turbine operating in air-sand particles two-phase flow Ζεμπύλας, Δημήτρης Zembylas, Demetris Υπολογιστική μελέτη Ανεμοκινητήρες κατακόρυφου άξονα Διφασική ροή Σωματίδια άμμου Computational study Vertical axis wind turbines Savonius Two-phase flow Sand particles Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς ανεμοκινητήρα κατακόρυφου άξονα, τύπου Savonius (τύπου S), σε διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου. 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, στις διάφορες γωνίες λειτουργίας του ανεμοκινητήρα για μονοφασική ροή αέρα και διφασική ροή αέρα-σωματιδίων άμμου. 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-σωματιδίων άμμου στον συντελεστή στατικής ροπής του ανεμοκινητήρα. Η διφασική ροή αέρα – σωματιδίων άμμου αποτελεί ένα σύνθετο φαινόμενο, του οποίου δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως όλοι οι μηχανισμοί. Θεωρείται ως ασυμπίεστη αραιή πνευματική μεταφορά, με τον αέρα ως ρευστό-φορέα και τα σωματίδια άμμου ως τη μεταφερόμενη ύλη. Το μοντέλο με το οποίο εξετάζεται το φαινόμενο είναι αυτό της διακριτής διφασικής ροής (DPM). Στο μοντέλο αυτό η δευτερεύουσα φάση θεωρείται διασκορπισμένη μέσα στην κύρια φάση όπου οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης με την περιβάλλουσα ροή υπολογίζονται για κάθε σωματίδιο. Η προσομοίωση έγινε με χρήση της υπολογιστικής πλατφόρμας Ansys και συγκεκριμένα μέσω του εμπορικού πακέτου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD) Fluent, όπου μέσω του υπολογιστικού κώδικα έγινε η 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 άμμου μέσω του μοντέλου διακριτής φάσης όπως προαναφέρθηκε. Η μοντελοποίηση έγινε σε δισδιάστατο μοντέλο (2D) και μετά από μελέτη ανεξαρτητοποίησης του πλέγματος, ένα πλέγμα των 80000 κελίων επιλέχθηκε ως το καταλληλότερο. Σε αυτήν την διπλωματική εργασία διεξάχθηκαν συνολικά 14 προσομοιώσεις μονοφασικής ροής με τη χρήση δύο μοντέλων τύρβης, του Realizable k-ε και του SST k-ω, καθώς και 14 προσομοιώσεις διφασικής ροής, με τη χρήση του μοντέλου τύρβης SST k-ω, για περιεκτικότητες σωματιδίων άμμου Q=0.01 kg/s και Q=0.1 kg/s. Οι προσομοιώσεις έγιναν με ταχύτητα αέρα u=7 m/s, όπου λειτουργεί αποδοτικότερα ο ανεμοκινητήρας Savonius, για 7 διαφορετικές γωνιές λειτουργίας των πτερυγίων του ανεμοκινητήρα 0º, 30º, 50º, 90º, 120º,150º και 180º. Τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται 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. The subject of this thesis was the computational investigation of the aerodynamic behavior of a Savonius-type (S-type) vertical axis wind turbine in a two-phase air-sand particle flow. The aim of the study is to understand the theoretical background of the operation of the Savonius wind turbine as well as the single-phase and two-phase behavior. Also, this work aims to find the static torque coefficients, cm, at the different operating angles of the wind turbine for single-phase airflow and two-phase air-sand particles flow. 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 study the effects of the two-phase air-sand particles flow on the wind turbine static torque coefficient. The air-sand particle two-phase flow is a complex phenomenon, the mechanisms of which are not fully understood. It can be considered as incompressible thin air transport, with air as the carrier fluid and sand particles as the transported matter. The model with which the phenomenon was examined is the discrete two-phase flow (DPM). 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. The simulation was done using the Ansys computing platform, specifically through the commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) package Fluent, where through the computer code the transport and conservation equations of the single-phase flow were solved for steady flow and then, after convergence and stabilization of the flow was achieved, the introduction of the sand particles through the Discrete Phase Model was chosen as mentioned above. The modeling was done in a two-dimensional (2D) model and after a grid independence study, a grid of 80000 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 concentrations sand particles Q=0.01 kg/s and Q=0.1 kg/s were carried out. The simulations were done with wind speed u=7 m/s, where the Savonius wind turbine works most efficiently, for 7 different operating angles of the wind turbine blades 0º, 30º, 50º, 90º, 120º, 150º and 180º. 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. 2022-10-17T08:21:47Z 2022-10-17T08:21:47Z 2022-10-14 https://hdl.handle.net/10889/23406 el Attribution 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/ application/pdf |
