0-92196

نشریه مهندسی دریــا سال دوازدهم/ شماره42/ پاییز و زمستان 5931)51-39(

بررسی عددی و تجربی تاثیرهای غلاف یک توربین داکتی بر روی جریانهای بالادست و پاییندست

حمید احمدی اصل، رضا کمالی منفرد1* ، منوچهر راد2

گروه مهندسی مکانیک، واحد تهرانجنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران reza.kamalimonfared@gmail.com
استاد دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، واحد تهرانجنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

وجود مناطق ساحلی گسترده در ایران، این کشور را تبدیل به منطقهای بالقوه برای تولید برقآبی کرده است. توربینهای داکتی یا غلافدار با افزایش سرعت سیال، توان تولیدی توربین را بالا برده و لذا مناطق بالقوه تولید برق را به مناطق بالفعل تبدیل میکند. هدف از این مقاله بررسی اثرات یک غلاف با سطح مقطع ایرفویلی بر جریان بالادست و پاییندست است که از جمله موارد مهم جهت شناخت عملکرد و بکارگیری این نوع توربینها است. ازاینرو، سرعت سیال مجموعا در هشت مقطع در جلو و پشت غلاف در یک تونل باد اندازهگیری و پروفیلهای حاصله با نتایج شبیهسازی عددی مقایسه شد. نتایج نشان دادند که افزایش ناچیز فشار در جلو و از بین رفتن سریع اثرات غلاف در پشت آن به دلیل طراحی خط جریانی خاص، از جمله مزایای آن است که باعث میشود بتوان تعداد بیشتری از این غلاف در یک منطقه مشخص نصب نمود. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 01/02/5931 تاریخ پذیرش مقاله: 03/03/5931

کلمات کلیدی:
تاثیر غلاف بر جریان
یکنواختی جریان پاییندست پروفیل سرعت توربین داکتی

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Numerical and Experimental Investigation of Shroud Effects of a Ducted
Turbine on Upwind and Downwind Flows

Hamid Ahmadi Asl1, Reza Kamali Monfared1*, Manouchehr Rad2

Dept. of Mechanical Eng., South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran; reza.kamalimonfared@gmail.com
Professor, Faculty of Mechanical Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 25 Jun. 2016
Accepted: 27 Nov. 2016
Existence of coastal regions in Iran has made this country a potential area to produce hydro-electric. Ducted or shrouded turbines generate more output power by increasing fluid velocity; therefore, they turn potential areas to actual areas to produce electricity. The purpose of this study is to investigate effects of a shroud with airfoil cross-section

Keywords:
Shroud effects on flow
Downwind flow uniformity
Velocity profile
Ducted turbine
form on upwind and downwind streams which is a vital parameter of performance and usage of this kind of turbines. To do this, the fluid velocity was measured at eight sections behind and in front of the shroud in total and the velocity profiles were compared with numerical simulation results. The results showed that the inconsiderable increase of pressure in front and fast disappearance of the effects of shroud behind it, which is as a result of specific streamed-line design, are some advantages that cause to install more shrouds in a defined area.

51
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

توربینهای غلافدار یا همان توربینهای داکتی که اخیرا بسیار مورد توجه و بررسی واقع شده، نسل جدیدی از توربینها هستند کره براافزایش سرعت سیال باعث افزایش بهرهبرردار ی از انرر ی جریر ان و تولید توان بالاتری میشوند. در این توربینها که از یک توربین آبی یا بادی و یک مجرای واگرا یا همگرا-واگرا تشکیل میشوند، سرعت سیال توسط مجرا بالا رفته و در محلی که جریان بیشترین سررعترا دارد، توربین قرار میگیرد. این نوع توربینها را مر یتروان از نظررطراحی، اثرات آنها بر روی جریان عبوری و پدیدههای مربرو برهآن بررسی نمود.
در این رابطه مطالعهای عددی با روش توربولانسی کیاپسریلون بررروی عملکرد دیفیوزرها جهت بالا بردن انر ی جنبشی توربینهرا ی آبی انجام گرفت. نتایج نشان داد که ترورب ین برا مجررای واگررا 5/9 برابر توان بیشتری در مقایسه با حالت بدون مجررا تول یر د مر یکنرد ]5[. به طور مشابه، چندین نوع مجرا جهت بالا بردن سرعت جریان و بالا بردن توان تولیدی توربینهای آبی محوری طراحی شد که براروش توربولانسرری کرریاپسرریلون مرردل شرردند ]4[. همچنررین در پژوهشی دیگر ، یک مجرا برای توربینهای آبی محرور ی طراحر ی و به روش کدنویسی شبیهسازی عرددی شرد. داده هرا ی حاصرل از دوحالت با مجرا و بدون مجرا با هم مقایسه شدند که یک بهبود قابرلتوجه در بازده توربین با مجرا مشاهده گردید ]9[. در همین رابطره،یک شبیهسازی عددی با کدنویسی بررا ی محاسربه تروان خروجری توربینهای آبی محوری داکتی مورد مطالعه و بررسر ی قررار گرفرت]2[. در تحقیقی دیگر، عملکرد یک توربین بادی با مجررا ی واگررا وبدون آن بررسی شد. نتایج به و وح نشان دادند کره یر ک واگرایری مطلوب میتواند دبی جرمی بالاتری را بر روی توربین اعمرال کنرد.
55
در نتیجه توربینهای داکتی میتواند توان خروجی بالاتری را تولیر د کنند] 1[. نوع دیگری از توربینهای داکتی که مرورد مطالعره قررارگرفتهاند شیپورههای فلنجدار هستند. مجرای ایر ن نروع تروربینهرا شامل یک مجرای واگراست که در انتهای ناحیه واگرایری آنهرا یر ک فلنج متصل است. در این رابطه یک شیپوره فلنجدار با یک ترورب ین بادی در داخل آن بررسی شد. مطابق با دادهها، توان توربین داکتر ی فلرنج دار بر ین 4 ترا 1 برابرر حال ت بردون آن مریشرد ]5[. س پ پارامترهایی از جمله ارتفراع فلرنج، نسربت هراب، زاویر ه بازشردگ ی پوس ته و ش کل پوس ته ب ه روش تجرب ی بهین هس ازی ش د] 3[. همچنین در پژوهش عددی RANS و تجربی دیگری مشخص شد که ریب توان در توربینهای داکتی فلنجدار برالاتر از رریب بترزاست] 8[. در ادامه بررسیهای عددی انجام شده برر رو ی یر ک نروعتوربین داکتی فلرنج دار برا مردلهرای توربولانسری کر یاپسر یلون و اسپالارتآلماراس نشان داد سرعت جریان 5/5 تا 5/4 برابر افرزا یش مییابد ]3[. بطور مشابه در بررسیهای انجام شده بصورت عددی با روش توربولانسی K-ω و اعتبارسرنجی تجربری افرزا یش چشرمگ یر سرعت جریان در این نوع ترورب ینهرا مشراهده شرد و یر ک نسربتبحرانی برای دهانه ورودی به ارتفاع فلرنج تع یری ن گردیر د ]50[. در یک تحقیق عددی با روش توربولانسی کیاپسیلون، با بررسی رفترارجریان، محل بهینه نصب ترورب ین در مجراهرا ی واگررا بررسری شرد]55[. در مطالعه دیگری یک مجرای واگرا، سررعت جر یر ان ترا 3/5 برابر جریان دوردست بالا رفت] 54[. همچنین برا اعمرال پلرههرا ی ابتک اری در داخ ل ی ک مج رای واگ را ب ا ش بیهس ازی RANS، تاثیرهای آن بررسی و نتایج مثبت آن مشاهده شد] 59[. همچنر ین چندین نوع توربین بادی داکتر ی طراحر ی و بره روش کر یاپسر یلون شبیهسازی عددی شد و نشان داد که سررعت جر یر ان بر ین 4 ترا 9 برابر سرعت اولیه افزایش مییابد ]52[. سرپ یکر ی از طررح هرا ی برگزیده به صورت تجربی ساخته و آزمرا یش شرد. نترایج مطرابق براشبیهسازی عددی بود] 51[.
در مطالعه تجربی انجام شده بر روی یک نوع توربین داکتر ی نشرانداد توان خروجی آن 2 برابر بیشتر از حالت بدون داکت بود] 55[.
بتازگی یک غلاف جهت افرزا یش سررعت سریال طراحر ی و سراختهشده است. پوسته این غلاف با سطح مقطع ایرفویلی شرکل سررعتباد را تا 25/4 برابر و سرعت جریر ان آب را 38/4 برابرر جر یر ان دور دست میکند ]53[. در این مقاله هدف، بررسی اثرات یک غلاف براسطح مقطع ایرفویلی بر جریان بالادست و پاییندست اسرت کره ازجمله موارد مهرم جهرت شرناخت عملکررد و بکرارگیری ایر ن نروعتوربینها است. درکارهای انجام شده پیشین تمرکز بر روی طراحی یک غلاف مطلوب بوده و توجهی به اثرات آن بر روی جریان عبوری نشده است درحالی که اثر غلاف بر روی جریران علریالخصروص درپشت آن حائز اهمیت بوده و تعیین کننده تعداد نصب آنها در یرکمنطقه مشخص و محدود میباشد. ازاینرو، سرعت سیال به صرورتتجربی مجموعا در هشت مقطع در جلو و پشت غلاف در یک تونرلباد اندازهگیری و پروفیلهای حاصله با نتایج شبیهسازی عددی کرهاز روش کیاپسیلون بدست آمده بود مقایسره شرد . همچنرین بایرداشاره شود که در این مقالره مجررای تروربین داکتری خراص مروردبررسی، غلاف نامیده میشود.

شبيهسازی عددی
2-1- معادلات حاکم
برای سیالات نیوتنی که تنشها با نرخ کرنش رابطهای خطی دارند ،معادلات بقای اندازه حرکت خطی یا همان معادلات ناویراستوک صادق است.
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

معادلات ناویراستوک) 5( همراه با معادله پیوستگی) 4( میتواند به طور ریا ی، جریان غیرقابل تراکم سیال نیوتونی را کاملا تشریح کند. دانسیته و لزجت در جریان غیرقابل تراکم با درجه حرارت ثابت مقادیر ثابتی میباشند. چهار مجهول )سه مولفه سرعت و یک مولفه فشار( وجود دارند که با سه معادله فوق و معادله پیوستگی قابل حل هستند.
40259635000

402591270000

)5(

)4(

در جریانی که تنش برشی صفر باشد، معادلات ناویراستوک تبدیل به معادلات اویلر )9( میشوند.

-1054035086

)9(

در ادامه با فرض شرایط غیرلزج، دائمی، غیرقابل تراکم و غیرچرخشی در جریان سیال، رابطه برنولی) 2( حاصل میگردد .
رابطه برنولی بین هر دو نقطه در میدان جریان غیر چرخشی صادق است.
-10540-117135

)2(

بدین ترتیب میتوان بیان داشت که سیال در خارج از ناحیه لایهمرزی و نواحی دوردست غیرچرخشی، غیرلزج و دائمی بوده ولی در ناحیه لایهمرزی این شرایط صادق نیستند .
بررسیهای روی مخرو ناقص و جریان عبوری از آن نشان میدهد که در یک مخرو ناقص توخالی با عبور سیال از دهانه کوچکتر به سمت دهانه بزرگتر، باعث افزایش سرعت در مقطع ورودی آن میشود. برای بیان اجمالی مطلب فوق از معادله برنولی و پیوستگی استفاده میشود. جریان تراکمناپذیر در نظر گرفته میشود چرا که به علت پایین بودن سرعت سیال، عدد ماخ کمتر از 9/0 است .
همچنین اگر عدد رینولدز بیش از 50000 باشد لایهمرزی شکل گرفته بر پوسته داخلی مخرو ناقص، خامت بسیار کمی داشته و لذا فشار در خروجی مخرو تقریبا برابر فشار دوردست است .همچنین جریان خارج از لایهمرزی، غیرچرخشی بوده و میتوان برای حالت جریان ورودی از دهانه کوچک )مقطع 5(، بین جریان آزاد دوردست و دهانه بزرگ )مقطع 4( رابطه برنولی را به صورت زیر نوشت و سرعت را در مقطع 5 به دست آورد.

)1(

????∞ = ????4; ????∞= ????4
????4 = ????∞
همچنین طبق رابطه پیوستگی:

)5(

که 5v سرعت جریان در ورودی ،4v سرعت جریان در خروجری،5P فشار در ورودی ،4P فشار در خروجری ، 5A سرطح مقطرع ورودی و4A سطح مقطع خروجی است. براساس روابرط ) 1( و) 5(، سررعتدر مقطع ورودی با اندازه نسبت سطح مقطعها رابطه دارد. در حالت ورودی از دهانه کوچکتر، به علت اینکه این نسبت بیشتر از 5 است، سرعت در ورودی افزایش مییابد.
A5 < A4 => A4 / A5 >5 => V5 > V4
مطابق با آنچه بیان شرد، برا ورود جریران سریال از دهانره کوچرک،سرعت در ورودی افزایش و فشار کاهش مییابد کره باعرث افرزایشدبی ورودی میشود.
همچنین در ایرفویلهای نامتقارن با فرض غیرچرخشی بودن سیال ،طبق قانون برنولی فشار روی سطح بزرگتر نسبت به سطح کوچکتر کاهش و سرعت افزایش مییابد. ازاینرو با ایجاد سطح مقطع ایرفویلی برای مخرو واگرا گلوگاهی ایجاد میشود که باعث افزایش بیشتر سرعت و کاهش جدایش میگردد. به علاوه مدل طراحی شده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا لایههای مرزی سیال با یکدیگر تداخل نکرده و باعث اتلاف انر ی نگردد. بدین ترتیب میتوان به یک افزایش سرعت مطلوب دست یافت.

2-2- فرضيات اوليه و روش حل
پیش از بررسی نتایج عددی غلاف مذکور که در شکل 5 مشخصات ابعادی آن نمایش داده شده، ابتدا فر یات اولیه در نظر گرفته شده بیان میگردد. در شبیهسازی صورت گرفته که با نرمافزار Ansys
414680186918

53)الف( )ب(

شكل1- )الف(: هندسه سه بعدی طرح، )ب(: مشخصات ابعادی طرح ]11[

Fluent انجام شده، سرعت جریان ورودی 9 متربرثانیه فرض شده است .ابعاد میدان حل و محل قرارگیری غلاف در آن برمبنای مطالعات و بررسیهایی طی مراحل شبیهسازی عددی تعیین شد به نحوی که اثرات دیوارههای جانبی میدان، باعث ایجاد خطا و تاثیر در نتایج نشده و در من تمامی پدیدهها در جلو، عقب و اطراف غلاف به طور کامل نمایان گردند. بدین ترتیب منطقه محاسباتی یک محیط مستطیلی شکل با سطح مقطع 900*900 و طول 5000 سانتیمتر در نظر گرفته شد. غلاف در فاصله 900 سانتیمتری از ورودی این منطقه محاسباتی قرار گرفت. اندازه بزرگترین المان برابر10 واحد )سانتیمتر( تعیین گردید و با نزدیک شدن به سطح غلاف، شبکهبندی ریزتر شد تا بر روی سطوح غلاف این اندازه 4 واحد لحاظ گردید. کیفیت شبکهبندی نقش مهمی در افزایش دقت حل عددی و کاهش خطاهای محاسباتی ایفا میکند .
یکی از شاخصهای کیفیت شبکه، نسبت منظری است که از تقسیم ماکزیمم به مینیمم فاصله یک گره به دیگر گرهها بدست میآید و نباید از 400 بیشتر گردد. از آنجایی که دامنه حل سیال به صورت گسسته در نظر گرفته میشود، در نواحی که گرادیانهای شدید وجود دارد، شبکهبندی باید به قدر کافی ریز باشد تا تغییرات پارامترهای جریانی به خوبی در نظر گرفته شوند. همچنین نتایج باید نسبت به تعداد المانهای شبکه محاسباتی



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید