مطالعه اثر جریان برشی باد بر عملکرد توربین باد محور افقی به‌کمک الگوی دیسک عملگر سه‌بعدی

در پژوهش حاضر، اثر لایه برشی باد (لایه مرزی اتمسفری) روی عملکرد و رفتار جریان حول روتور توربین باد مرجع mw5 ان.آر.ای.ال. بررسی شده ‌است. برای این منظور، روش دیسک عملگر سه‌بعدی پایا با دقت قابل قبول و هزینه محاسباتی کم برای حل معادلات جریان حول روتور توسعه داده شده ‌است. با استفاده از قابلیت تعریف توابع توسط کاربر در یک نرم‌افزار تجاری برمبنای روش حجم محدود، کدی برای اعمال ممنتوم مجازی به سیال و پروفیل جریان ورودی ناشی از لایه مرزی زمین نوشته شده و معادلات ناویر استوکس در میدانی استوانه‌ای با اضافه‌شدن عبارت نیروی حجمی به‌عنوان عبارت چشمه حل‌‌ می‌شود. روش دیسک عملگر سه‌بعدی که در این پژوهش توسعه داده شده، قادر است با حل معادلات ناویر استوکس در ترکیب با الگوریتم ممنتوم المان پره دقت بهتری از رفتار جریان حول توربین نسبت به روش ممنتوم المان پره ارائه کند و درعین حال هزینه محاسباتی کمتری نسبت به حل کامل معادلات جریان داشته باشد. به‌علت عدم‌تقارن جریان ورودی به صفحه روتور، پره‌های توربین شرایط مختلفی را درحین دوران تجربه می‌کنند. بنابراین، توزیع توان و نیروی محوری در راستای شعاعی پره‌ها در سه موقعیت زاویه‌ای روتور مطالعه شده ‌است. نتایج نشان ‌می‌دهد که جریان برشی ورودی به صفحه روتور سبب عدم‌تقارن در الگوی جریان دنباله روتور، میدان فشار، سرعت و ورتیسیته جریان حول روتور و همچنین بارگذاری متناوب روی پره‌ها می‌شود. برای پروفیل لایه مرزی اتمسفری انتخاب‌شده در این پژوهش، بیشترین اختلاف نیروی محوری وارد بر هر پره حدود kn125 است که مابین دو موقعیت زوایای 90 و 270 درجه درحین دوران رخ می‌دهد. همچنین، در این حالت  عدم تقارن فیزیک جریان حول روتور سبب ایجاد فشار بیشتر به نیمه بالایی دیسک عملگر شده، باعث ایجاد گشتاوری خمشی بر صفحه روتور می‌شود.

Wind Shear Flow Effects on Horizontal Axis Wind Turbine Performance, Based on Threedimensional Actuator Disk Model

In the present work, wind shear flow (atmospheric boundary layer) effects on aerodynamic performance of the NREL 5MW baseline wind turbine were investigated. In this regard, the steady threedimensional actuator disk method, based on computational fluid dynamics with low computational cost, was developed, utilizing userdefined function (UDF) in a finite volumebased commercial software package. The rotor was not modeled directly, such that its momentum effect was added to the NavierStokes equations as a body force (source term). The developed solver was adopted to compare the flow field behavior around the rotor under uniform and wind shear inflow conditions. Different cases for the rotor azimuth angle were considered to evaluate the radial distribution of rotor power and thrust. Numerical results show that wind shear inflow leads to skew rotor wake, as well as asymmetrical pressure, vorticity, and velocity fields. Moreover, rotor experiences cyclical loading during each rotation. Note, for the selected wind shear profile of this work, the maximum difference in thrust on the rotor plane is about 125KN for each period of rotation.