Effect of Split on Flow Separation Reduction of Wind ...
10
ISSN: 2476-6909; Modares Mechanical Engineering. 2020;20(2):381-390 C I T A T I O N L I N K S Copyright© 2019, TMU Press. This open-access article is published under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License which permits Share (copy and redistribute the material in any medium or format) and Adapt (remix, transform, and build upon the material) under the Attribution-NonCommercial terms. Effect of Split on Flow Separation Reduction of Wind Turbine Airfoil using DES Turbulence Model [1] World energy outlook 2013 [2] Modeling of the UAE wind turbine for refinement of fast- AD [3] Numerical aeroelastic analysis of wind turbine NREL phase VI rotor [4] Lift enhancement of airfoil and tip flow control for wind turbine [5] Performance enhancement and load reduction of a 5 MW wind turbine blade [6] The role of free stream turbulence with large integral scale on the aerodynamic performance of an experimental low Reynolds number S809 wind turbine blade [7] Effects of near-wall grid spacing on SST-K-ω model using NREL phase VI horizontal axis wind turbine [8] A new method for horizontal axis wind turbine angle of attack determination [9] Flow control: Passive, active, and reactive flow management [10] Effects of SJA boundary conditions on predicting the aerodynamic behavior of NACA 0015 airfoil in separated condition [11] Numerical simulations of plasma based flow control applications [12] Unsteady separation control for wind turbine applications at full scale Reynolds number [13] A new class of synthetic jet actuators—part II: Application to flow separation control [14] Effects of synthetic jet actuator exit location on aerodynamics of S809 airfoil at high angle of attack [15] Application of a slotted airfoil for UH-60A helicopter performance [16] 2D numerical comparison of trailing edge flaps- UpWind WP1B3 [17] Multi-element airfoil configurations for wind turbines [18] Passive control via slotted blading in a compressor cascade at stall condition [19] Numerical investigation on the Coanda effect over the S809 airfoil with synthetic jet actuator at high angle of attack [20] Comparative study of DNS, LES and hybrid LES/RANS of turbulent boundary layer with heat transfer over 2d hill [21] Aerodynamic performance enhancement analysis of horizontal axis wind turbines using a passive flow control method via split blade [22] ANSYS meshing user’s guide [23] Detached-eddy simulation of an airfoil at high angle of attack [24] STAR-CCM+ Ver 11.02.009 user guide/ theory manual [25] CFD investigation of effects of wind tunnel walls on flow properties over S809 airfoil [26] Numerical study on the effects of a synthetic jet actuator on S809 airfoil aerodynamics at different flow regimes and jet flow angles A horizontal axis wind turbine power generation depends upon the aerodynamic performance of its blades. Flow separation is one of the phenomena that causes power loss and consequently decreasing the wind turbine output generation. Since usually the local angle of attack in the inner and middle parts of a blade is much greater than the local angle of attack in the separation onset, the blade section encounters a highly separated flow. Hence, flow control methods are applied in order to reduce or weaken the negative effects of the separation. This paper investigates the effects of the passive flow control method for a horizontal axis wind turbine using validated three-dimensional DES (detached eddy simulation) on an S809 split airfoil. The split in the airfoil thickness causes the flow from the high-pressure zone under the lower surface is injected into the separated area over the upper surface, transporting external energy to the separated zone, hence weakening the separated area. As the result show, the overall performance of this method depends on parameters such as split locations on the airfoil pressure and suction surfaces, the direction of the jet flow with respect to the freestream wind and also the thickness of the split. In this research, two different split locations and four thickness values of 0.5, 1, 2 and 4 percent of chord length are simulated at a range of AOA from 0 to 25 degrees. Noticeably, the results demonstrate that for an appropriate split exit location, the thickness value of 2 and 4 percent of the chord are generated more lift force. The average increase of lift coefficient for these split airfoils at a high angle of attack (17, 20, 22 and 25) are 68.5 and 55.8 percent respectively. A B S T R A C T A R T I C L E I N F O Article Type Original Research Authors Moshfeghi M. 1 PhD, Shams Sh.* 1 PhD, Ramezani M. 1 MSc, Hur N. 2 PhD Keywords Passive flow Control; S809 Split Airfoil; Wind Turbine; Flow Separation - *Correspondence Address: Aerospace Engineering Department, Faculty of New Sci- ences & Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran. Postal Code: 1439957131 Phone: +98 (21) 88497315 Fax: +98 (21) 88497324 [email protected] 1 Aerospace Engineering Depart- ment, Faculty of New Sciences & Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran 2 Thermal, Fluids & Energy, Faculty of Mechanical Engineering, Sogang University, Seoul, Korea Article History Received: July 5, 2018 Accepted: May 14, 2019 ePublished: February 01, 2020 How to cite this article Moshfeghi M, Shams Sh, Ramezani M, Hur N. Effect of Split on Flow Se- paration Reduction of Wind Turbi- ne Airfoil using DES Turbulence Model. Modares Mechanical Engin- eering. 2020;20(2):381-390.
Transcript of Effect of Split on Flow Separation Reduction of Wind ...
ISSN: 2476-6909; Modares Mechanical Engineering. 2020;20(2):381-390
C I T A T I O N L I N K S
Copyright© 2019, TMU Press. This open-access article is published under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License which permits Share (copy and redistribute the material in any medium or format) and Adapt (remix, transform, and build upon the material) under the Attribution-NonCommercial terms.
Effect of Split on Flow Separation Reduction of Wind Turbine Airfoil using DES Turbulence Model
[1] World energy outlook 2013 [2] Modeling of the UAE wind turbine for refinement of fast-AD [3] Numerical aeroelastic analysis of wind turbine NREL phase VI rotor [4] Lift enhancement of airfoil and tip flow control for wind turbine [5] Performance enhancement and load reduction of a 5 MW wind turbine blade [6] The role of free stream turbulence with large integral scale on the aerodynamic performance of an experimental low Reynolds number S809 wind turbine blade [7] Effects of near-wall grid spacing on SST-K-ω model using NREL phase VI horizontal axis wind turbine [8] A new method for horizontal axis wind turbine angle of attack determination [9] Flow control: Passive, active, and reactive flow management [10] Effects of SJA boundary conditions on predicting the aerodynamic behavior of NACA 0015 airfoil in separated condition [11] Numerical simulations of plasma based flow control applications [12] Unsteady separation control for wind turbine applications at full scale Reynolds number [13] A new class of synthetic jet actuators—part II: Application to flow separation control [14] Effects of synthetic jet actuator exit location on aerodynamics of S809 airfoil at high angle of attack [15] Application of a slotted airfoil for UH-60A helicopter performance [16] 2D numerical comparison of trailing edge flaps-UpWind WP1B3 [17] Multi-element airfoil configurations for wind turbines [18] Passive control via slotted blading in a compressor cascade at stall condition [19] Numerical investigation on the Coanda effect over the S809 airfoil with synthetic jet actuator at high angle of attack [20] Comparative study of DNS, LES and hybrid LES/RANS of turbulent boundary layer with heat transfer over 2d hill [21] Aerodynamic performance enhancement analysis of horizontal axis wind turbines using a passive flow control method via split blade [22] ANSYS meshing user’s guide [23] Detached-eddy simulation of an airfoil at high angle of attack [24] STAR-CCM+ Ver 11.02.009 user guide/ theory manual [25] CFD investigation of effects of wind tunnel walls on flow properties over S809 airfoil [26] Numerical study on the effects of a synthetic jet actuator on S809 airfoil aerodynamics at different flow regimes and jet flow angles
A horizontal axis wind turbine power generation depends upon the aerodynamic performance of its blades. Flow separation is one of the phenomena that causes power loss and consequently decreasing the wind turbine output generation. Since usually the local angle of attack in the inner and middle parts of a blade is much greater than the local angle of attack in the separation onset, the blade section encounters a highly separated flow. Hence, flow control methods are applied in order to reduce or weaken the negative effects of the separation. This paper investigates the effects of the passive flow control method for a horizontal axis wind turbine using validated three-dimensional DES (detached eddy simulation) on an S809 split airfoil. The split in the airfoil thickness causes the flow from the high-pressure zone under the lower surface is injected into the separated area over the upper surface, transporting external energy to the separated zone, hence weakening the separated area. As the result show, the overall performance of this method depends on parameters such as split locations on the airfoil pressure and suction surfaces, the direction of the jet flow with respect to the freestream wind and also the thickness of the split. In this research, two different split locations and four thickness values of 0.5, 1, 2 and 4 percent of chord length are simulated at a range of AOA from 0 to 25 degrees. Noticeably, the results demonstrate that for an appropriate split exit location, the thickness value of 2 and 4 percent of the chord are generated more lift force. The average increase of lift coefficient for these split airfoils at a high angle of attack (17, 20, 22 and 25) are 68.5 and 55.8 percent respectively.
A B S T R A C TA R T I C L E I N F O
Article TypeOriginal Research
AuthorsMoshfeghi M.1 PhD,Shams Sh.*1 PhD,Ramezani M.1 MSc,Hur N.2 PhD
Keywords Passive flow Control; S809 Split Airfoil; Wind Turbine; Flow Separation
-
*CorrespondenceAddress: Aerospace Engineering Department, Faculty of New Sci-ences & Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran. Postal Code: 1439957131Phone: +98 (21) 88497315Fax: +98 (21) [email protected]
1Aerospace Engineering Depart-ment, Faculty of New Sciences & Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran2Thermal, Fluids & Energy, Faculty of Mechanical Engineering, Sogang University, Seoul, Korea
Article HistoryReceived: July 5, 2018 Accepted: May 14, 2019 ePublished: February 01, 2020
How to cite this articleMoshfeghi M, Shams Sh, Ramezani M, Hur N. Effect of Split on Flow Se-paration Reduction of Wind Turbi-ne Airfoil using DES Turbulence Model. Modares Mechanical Engin-eering. 2020;20(2):381-390.
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــو همکاران ــــــــــــــــــــــــــــــ یمحمد مشفق ۳۸۲
۱۳۹۸ بهمن، ۲، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی
تاثیر شیار بر کاهش جدایش جریان ایرفویل DESتوربین بادی با استفاده از مدل توربولانسی
PhD محمد مشفقی
، ایراندانشگاه تهران، تهران ،نیگروه هوافضا، دانشکده علوم و فنون نو
PhD *شاهرخ شمس
، ایراندانشگاه تهران، تهران ،نیگروه هوافضا، دانشکده علوم و فنون نو MScمرتضی رمضانی
، ایراندانشگاه تهران، تهران ،نیگروه هوافضا، دانشکده علوم و فنون نو PhDهور کاننم
دانشگاه سوگنگ، ، مهندسی مکانیک ، دانشکدهحرارت، سیالات و انرژی گروه سئول، کره جنوبی
دهیچک
توان تولیدی توربین باد متاثر از عملکرد آیرودینامیکی پره توربین است و یکی از د توان خروجی توربین باهایی که سبب اُفت نیرو برآ و به دنبال آن کاهش پدیدههای معمولاً قسمتدر توربین بادی محور افقی شود جدایش جریان است. می
گیرند و جدایش جریان ی قرار میپره در زاویه حمله بالاتر ریشه و میانی یک های کنترل جریان برای تضعیفکنند. به همین دلیل از روشبیشتری را تجربه می
سازی با شبیهشود. این مقاله ناحیه جدایش یا به تعویق انداختن آن استفاده میاثرات آیرودینامیکی کنترل جریان از طریق ،DESبعدی با مدل توربولانسی سه
و میزان تاثیر این روش کنترل غیرفعال جریان را S809در ایرفویل ایجاد شکاف شود تا جریان از ناحیه پرفشار درکند. ایجاد شیار در ایرفویل سبب میبررسی می
رژی ان قسمت زیرین ایرفویل به سطح بالایی و محل جدایش جریان دمیده شود.ریق زریق شده و بدین طیافته تتوسط هوای با تکانه بالاتر به درون بخش جدایش
هب روش این کلی که عملکرد دهندمی نشان شود. نتایججدایش تضعیف میفشار محل مدخل ورودی و خروجی شیار روی سطح کم از جمله پارامترها از برخی
و ضخامت شیار نسبت به جریان آزاد ورودی شدن جریانو پرفشار، زاویه دمیدهدار ایجاد شده بستگی دارد. در این مقاله دو هندسه مختلف برای ایرفویل شکاف
از طول وتر انتخاب شده و % ۴و ۲، ۱، ۵/۰ضخامت شیار و برای هر یک چهار و مقادیر نیروی برآ و نیز استرد بررسی قرار گرفته مو ٢٥ در زوایای حمله صفر تا
سه شده است. نتایج دو هندسه مختلف برای کاهش بخش جدایش یافته مقایدهند که با توجه به محل قرارگیری انتهای شکاف دار نشان میایرفویل شکاف
از وتر، از دو خانواده %٤و ٢روی سطح بالایی ایرفویل، شیارهایی با ضخامت رای این دو ها بتواند نیروی برآ بیشتری تولید کند. بررسیایرفویل بررسی شده می
، ١٧های ار در قسمتی از زوایای حمله که جریان جدا یافته است (زاویه حملهشیدهد.را نشان می %٨/٥٥و ٥/٦٨درجه)، میانگین افزایش ضریب برآ ٢٥و ٢٢، ٢٠
جدایش جریان، توربین باد، S809کنترل غیرفعال جریان، ایرفویل شیاردار : هاکلیدواژه
۱۴/۴/۱۳۹۷ :افتیدر خیتار ۲۴/۲/۱۳۹۸ :رشیپذ خیتار
[email protected]مسئول: سندهینو*
مقدمه -۱
ی هاصرفهی نو و هایانرژ امروزه در جهان با توجه به مسائل اقتصادی، تمایل برای استفاده از منابع تجدیدپذیر از جمله باد
ی پرقدرت یکی از این هانیتوربافزایش یافته است و استفاده از ی بادی، توربین باد محورهانیتوربنوع نیترجیرااست. یکی از هاراه
ی متعددی از جمله هاجنبهاز هانیتورب. این نوع از [1]افقی است، [3]، رفتار آیروالاستیک و ارتعاشاتی[2]ی عمومی توربین بادهایژگیومورد مطالعه قرار [5]و آنالیز بارگذاری [4]ی پره و ایرفویلساز نهیبه
فاز ششم پژوهش گرفتهصورتی هاپژوهش. در میان اندهگرفتNational)آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر Renewable
EnergyLaboratory;NREL) در آن شدهکارگرفتهبهو ایرفویل(S809) ،عددی و تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است و صورتبه
همان طور که واضح است، یکی از .[7,6]نتایج آن در دسترس استپارامترهای تاثیرگذار بر رفتار جریان عبوری از روی پره، مجموع زوایای پیچش هندسی و آیرودینامیکی پره است. این زاویه مجموع، در واقع زاویه نسبی بین وتر محلی و باد ورودی است و مفهومی
ن ا افزایش ای. لذکندیمی ثابت را تداعی هابالشبیه زاویه حمله در زاویه دارای محدودیت بوده و بالاتربودن از یک مقدار مشخص،
ی بادی محور هانیتوربخواهد داشت. در همراهبهجدایش جریان را ی درونی و میانی یک پره هابخشافقی، مقدار زاویه حمله محلی در
مقدار بزرگی است که گاهی از زاویه واماندگی نیز بیشتر معمولاً لذا باعث جدایش یا واماندگی شدید جریان در آن محل بوده و
.[8]شودیمی فعال و هاروشدر حالت عمومی، پدیده جدایش را از طریق
ه جدایش ب شودیمکنترل کرد که این کار باعث توانیمغیرفعال ی هاروش. یکی از [9]تعویق افتد و اثرات منفی آن کاهش پیدا کند
ثرمؤی بادی هانیتوربت هوافضا و کنترل فعال جریان که در صنعاست، دمیدن در جریان عبوری از سطح بالایی ایرفویل است.
[10]در این حوزه شامل عملگر جت مصنوعی گرفتهصورتتحقیقات که عملکرد بوده است [11]و نوسانات صفحات میکرو و دمش پلاسما
گرفته بررسی قرار ی مورد بعدسهو [12]یدوبعدصورت بهآنها به هورو مشفقیتوسط شدهانجامی هاپژوهش. ادامه [13]است
کلی . در حالت[14]بررسی محل مناسب جت مصنوعی منجر شدراه همبهبود عملکرد ایرفویل را به توانندیمی کنترل فعال هاروش
ی اجرا، هانهیهزداشته باشد اما تا به امروز پیچیدگی ابزارها، .بوده استآن یر یکارگبهی مانعی برای دار نگهتعمیرات و
ی کنترل غیرفعال جریان مانند تولید گردابه، هاروشدر طرف مقابل، وسایل لبه حمله، سطوح برجسته بال، ایجاد ایجاد سطوح ناهموار،
ی کنترل فعال جریان هاروشدر مقایسه با جاذبشیار و سطوح کمتری نهیهزو ترآسانبازدهی کمتری دارند اما اجرای آن معمولاً
دارد. البته این نکته را باید درنظرگرفت که در روش کنترل جریان غیرفعال امکان هیچ تغییری در طراحی شکل وجود ندارد و پیداکردن
. به ودب خواهدحالت عملکرد سیستم بسیار حائز اهمیت نیترنهیبهی روتور هابخشهمین دلیل این بخش توسط محققان مختلف در
ه گرفتی دورانی از نظر رفتار عمومی و خاص مورد بررسی قرار هاپرهو . است
ی کنترل غیرفعال برای کاهش اثر جدایش، ایجاد هاروشیکی از شکاف در مقطع ایرفویل است که با عبور جریان از شکاف و
آن بر سطح بالایی ایرفویل، انرژی توسط هوای با تکانه شدندهیدم
DES ۳۸۳شیار بر کاهش جدایش جریان ایرفویل توربین بادی با استفاده از مدل توربولانسی تاثیر ـــــــ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
Modares Mechanical Engineering Volume 20, Issue 2, February 2020
تلفیق شده و بدین طریق جدایش افتهیشیجداش بالاتر به درون بخبا بررسی اثر شکاف [15]یِئوو لیمعنوان مثال، به. شودیمضعیف
درصدی عملکرد آیرودینامیکی ۲۵افزایش UH‐60Aروی پره بالگرد بررسی عملکرد سطح به [16]و همکاران توماسرا گزارش دادند.
مگاواتی در حالت دوبعدی ۵لبه حمله برای یک توربین کنترل و راقبرا گزارش کردند. %۲۵پرداختند و افزایش ضریب برآ تا
ی چند تکه در بخش درونی پره توربین هالیرفویاعملکرد [17]سلیگ ۷آیرودینامیکی را از میان باد را بررسی کردند و بهترین عملکرد
اثر نیز [18]عبدالرحمانو رمضی. پیکره مورد بررسی استخراج کردندد را بررسی کرده و نشان دادن شدهیبارگذار ی کمپرسور هاپرهشکاف بر
پذیر خواهد بود و سه سال بعد -افزایش راندمان امکان %۲۸تا دقیق به بررسی اثر شیار در ایرفویل دوبعدی طوربه ][19هورو مشفقیS809 ی بعدسهی هاپرهو نیزNRELPhaseVI پرداختند و آن را
۱نمودار کردند که نتیجه آن در ی از زاویه حمله بررسی اگسترهدر . آنها نشان دادند که پدیده جدایش جریان وابسته شده استآورده
و خروجی شیار (محل قرارگیری مدخل ورودی هندسهبه دو عامل و ضخامت شیار) و همچنین شرایط عملیاتی (زاویه حمله و واکنش
جریان عبوری از سطح ایرفویل به دمش جریان) بستگی دارد. ی هامدلدر قالب آنها رغم تحقیقات ارزشمند قبلی، اکثرعلی ذاتاً که اندشدهانجام K‐ωSSTی و با مدل توربولانسی دوبعد
بوده و توانایی (RANS)مانی آشفتگی روشی بر مبنای میانگین ز . لذا [20]ی ریز را نداردهاگردابهآشفتگی و ده یپددقیق کردنحل
DESی گذرا و با مدل توربولانسی بعدسهتحقیق حاضر بر مبنای حل دلم یبعدسه یهایبررس اولین مقاله یکی از این. شده استانجام
است که مختص دارشکاف ایرفویل برای یک DES توربولانسیدر این تحقیق و در . محور افقی استی بادی هانیتورباستفاده در
شدهارائهدر گزارش گرفتهصورتی هایبنددستهادامه ی شیاردار که مدخل هالیرفویادو خانواده از ،]7,21[هایپژوهش
ی هاحملهخروجی متفاوت و کارآمدی دارند، انتخاب شده و در زاویه از طول %۴و ۲، ۱ ،۵/۰درجه به ازای تغییر ضخامت شیار ۲۵صفر تا
.گرفته استوتر مورد بحث و بررسی قرار
بر ضریب برآ در زوایای حمله مختلف S809اثر ایجاد شکاف در ایرفویل )١نمودار
]7[استکه تاثیر مثبت آن مشخص شده
یبندشبکهابعاد مدل، -۲به دلیل ۴۰۹۰و ۳۰۹۰ دارشکافدر تحقیق حاضر دو خانواده ایرفویل
با هالیرفویا). این ۱نمودار ( اندشدهبودن شکاف انتخاب مؤثر(از طول وتر) مورد بررسی عددی %۴و ۲، ۱ ،۵/۰ی شیار هاضخامت
از ایرفویل شیاردار و یانمونه توانیم ۱شکل . در اندگرفتهقرار ی ابتدا فاصله گذار نام. برای کرد مشاهدهی مربوط را گذار نامقرارداد
محل خروجی تا لبه فرار و سپس فاصله محل مدخل ورودی تا لبه فرار برحسب درصد طول وتر ذکر شده و رقم بعدی بیانگر نسبت
برحسب درصد است. همچنین (h/c)ضخامت شیار به طول وتر هندسی دامنه یساز مدلمنظور داشتن مدل هندسی معتبر، نحوه به
رنظی معتبر قبلی در هاپژوهشمطابق با مورد بررسی در حل عددی مشاهده ۲شکل که شامل دو زیر دامنه است که در است شده گرفته.]21[شودیم
۳شکل طولی از پره در مولفههمراه بعدی بههمچنین نمایی سه. علاوه بر شکل دامنه، کلیه پارامترهای مربوط به شودیممشاهده
مطابق با پژوهش قبلی مذکور درنظر یبندشبکهتراکم و استقلال شکل -Cی از شبکه بندشبکه. به همین منظور برای شده استگرفته استفاده شده و این کار در افتهیسازمانی وجهششی هاالمان ).۴شکل انجام شده است ( ICEMAnsys افزارنرم
S809‐4090‐X دارشکافی ایرفویل گذار نامایرفویل و نحوه هندسه )۱شکل
ی درونی (دایره) و بیرونی هادامنهشکل و ابعاد دامنه حل عددی زیر )۲شکل
]21[(مستطیلی)
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــو همکاران ــــــــــــــــــــــــــــــ یمحمد مشفق ۳۸۴
۱۳۹۸ بهمن، ۲، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی
در زاویه حمله S809‐3090‐2 دارشکافی از ایرفویل بعدسهنمای ) ۳شکل درجه ۱۴
شکل در اطراف ایرفویل-C یبندشبکه )۴شکل
در واقع با استفاده از تقسیم دامنه به دو زیرفضای محیطی و
در درون ترکوچکی بیشتری با اندازه هاسلولمحاطی، تعداد زیرفضای داخلی و اطراف ایرفویل قرار داده شده است و زیرفضای
ن است. بر ای یتر بزرگبیرونی دارای تعداد کمتری سلول با ابعاد مختلف نیاز به ایجاد هندسه جدید یهاحملهاساس برای حل زاویه
و لذا اثرات ناشی از است کردهنبوده و تنها دامنه درونی دوران پیدا .شودیمحذف کلاً تغییر شبکه روی نتایج
گره در راستای پهنای ۵۰گره در راستای وتر ایرفویل و ۳۳۰تعداد ایرفویل قرار داده شده است. همچنین با توجه به تغییر ضخامت
صورت ی داخل شیار بههاگرهی مختلف تعداد هامدلشیار در . از آنجایی کرده استتغییر ۱۰۰تا ۲۰متناسب با ضخامت شیار از در این صفحه تعداد دهدیمرفویل رخ که جدایش در سطح بالای ای
بالاتر نرفته است. با توجه به ۴/۱ضریب رشد ابعاد شبکه از درنظرگرفتن شبکه ریز برای حل لایه مرزی مقدار ضخامت اولین
، یک شود. +Yتا بیشینه شده استی درنظر گرفته اگونهسلول به که یک پارامتر چند منظوره برای بررسی شبکهمیزان پارامتر کیفیت
، برای تمامی ]22[دیآیم دستبه ۱کیفیت شبکه است و از رابطه و میزان پارامتر زاویه (زاویه بین هر بوده است ۴/۰بالاتر از هاالمان
میزان انحراف یک المان دهندهنشانبعدی که وجه از یک المان سه. همچنین بوده استبالاتر درجه۱۸از هاسلولاست) برای تمامی
ت ی اساگونهبه افتدیمی که دمش جریان اتفاق اهیناحشبکه در ۱ لولسمدل کند. در نهایت تعداد یخوببهکه بتواند رفتار جریان را
ترتیب برای زیرفضاهای بیرونی و درونی هندسه میلیون به۷/۷و به تصویر ۵شکل در تریجزئصورت ایجاد شده است که این شبکه به
است.شده کشیده
)۱( ∑
چیدمان شبکه در سطح بالایی ایرفویل و نیز در نزدیکی خروجی شیار) ۵شکل
ی عددی و شرایط مرزیساز هیشبفرضیات مورد استفاده در -۳
ی صورت گرفته بعدسهصورت به شدهیساز مدلحل عددی ایرفویل که وجه تمایز با تحقیقات شدهاستفادهاست. مدل توربولانسی
عنوان یک مدل دقیق برای است که به DESپیشین است، مدل . شرایط ]23[شودیممحاسبات مربوط به حل دقیق جدایش شناخته
تنظیم شده است تا بتوان با ۱۰۰۰۰۰۰ورودی جریان برای رینولدز شرایط مشابه مقایسه کرد. سرعت جریان نتایج آزمایشگاهی در
صورت یکنواخت در فشار یک اتمسفر درنظر به m/s۶۶/۱۵ورودی است. ۱atm. خروجی دامنه نیز دارای فشار ثابت شده است گرفته
شرایط مرزی متناوب صورتهمچنین دو صفحه کناری بهی مدل پهنا بودنتینهایبتا بتوانند فرض اندشده(پریودیک) لحاظ
سطح علاوهبهی در راستای عمود بر صفحه را اقناع کنند. بعدسه‐In)صورت رابطه اینپلیس ه داخلی و خارجی بهتماس دو زیردامن
place) بت با چگالی ثا ریناپذتراکمصورت تعریف شده است. هوا بهkg/m۱۸۴/۱ و مقدار لزجت دینامیکیPa.S۸۵/۱ لحاظ شده کاربه +STAR‐CCM افزارنرمی عددی، هایساز هیشب. برای است
چهار E5620پردازنده اینتل زئون ۷۲و از ]24[گرفته شده استی دانشگاه دافیسگیگاهرتز که در مرکز تحقیقات ۴/۲ی اهسته
.است شده گرفته، کمک است موجودسوگَنگ اعتبارسنجی مدل مورد استفاده -۴
و مهم مربوط به تاثیرگذارهمان طور که ذکر شد کلیه پارامترهای در نزدیکی سطح پره از جمله مقدار DESی برای حل بندشبکه
۱کمتر از ستیبایمکه +y ضخامت لایه اول (و به تبع آن مقدارحداقل ستیبایمباشد) و نیز تعداد نقاط در درون لایه مرزی (که
لحاظ شد و بر این ]26[بر اساس مقادیر موجود در منبع) ]25[باشد ۱۵برای ایرفویل بدون شیار انجام شد. هایساز هیشب مجدداً اساس DES) ]26[و پژوهش (SplitNo)فعلی DES یساز هیشبنتایج
Simulation) برابر با یکدیگر بوده و در کنار ضرایب برآ باً یتقر ی ایالتی اوهایو وهادانشگاهتجربی که حاصل از تست تونل باد در
۲. همان طور که در نمودار گرفته است قرارصنعتی دلف هستند ر کردن مسیدر دنبال ژهیوبه، نتایج از دقت نسبی شودیممشاهده
DES ۳۸۵شیار بر کاهش جدایش جریان ایرفویل توربین بادی با استفاده از مدل توربولانسی تاثیر ـــــــ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
Modares Mechanical Engineering Volume 20, Issue 2, February 2020
در مقایسه با DESتغییرات برخوردار است (که از مزایای مدل ی هایساز هیشب. همچنین بر اساس است) RANSی هامدل
ده شپژوهش حاضر مقدار ضریب پسا برای ایرفویل کامل استخراج ).۳(نمودار گرفته است قرارو در کنار نتایج تجربی است
اعتبارسنجی مدل حل عددی، مقایسه ضریب برآ در حل عددی ) ۲نمودار و نتایج تجربی (SplitNo)، پژوهش حاضر ]26[پژوهش
اعتبارسنجی مدل حل عددی، مقایسه ضریب پسا در حل عددی پژوهش ) ۳نمودار و نتایج تجربی (SplitNo)حاضر
نتایج -۵
ی هاضخامتهدف اصلی این مقاله بررسی اثرات وجود شیار با است. با ایجاد S809متفاوت روی نیروهای آیرودینامیکی ایرفویل
نیروهای آیرودینامیکی برآ و پسا رودیمشکاف همان طور که انتظار که این تغییرات مترادف تغییر الگوی جریان بر کندیمتغییر
خطوط جریان متفاوت نسبت به ایرفویل بدون شدندهیدایرفویل و از ایرفویل های ۴۰۹۰و ۳۰۹۰شکاف است. در این بخش دو خانواده
است که در هر . لازم به یادآوریاندگرفتهمورد بررسی قرار دارشکافدو خانواده، عامل تفاوت هندسی، محل خروج جریان است که با
ز نی شدهدهیدممحل مدخل ورودی، زاویه هوای بودنکسانیتوجه به متفاوت خواهد بود.آنها در نیروهای آیرودینامیکی -۵-۱
ی هالیرفویاترتیب ضریب برآ و پسا برای به ۵و ۴مودارهای ندر ی هالیرفویا، این مقادیر برای ۷و ۶و در نمودارهای ۳۰۹۰خانواده . همچنین شده استبرحسب زاویه حمله رسم ۴۰۹۰خانواده
همراه درصد تغییرات هر یک از به نمودارهااطلاعات داخل این آورده ۲و ۱ یهاجدولشیارها نسبت به ایرفویل بدون شکاف در
اویه حمله و ضخامت شیارها در شده است. با توجه به تغییر ز که نتایج آنها گرفته استی صورت ساز هیشبحالت ۷۲مجموع . شده استگزارش
S809‐3090مقایسه ضرایب برآی ایرفویل خانواده ) ۴نمودار
S809‐3090مقایسه ضرایب پسای ایرفویل خانواده ) ۵نمودار
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــو همکاران ــــــــــــــــــــــــــــــ یمحمد مشفق ۳۸۶
۱۳۹۸ بهمن، ۲، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی
S809‐4090مقایسه ضرایب برآی ایرفویل خانواده ) ۶نمودار
S809‐4090مقایسه ضرایب پسای ایرفویل خانواده ) ۷نمودار
نسبت به ایرفویل بدون شکاف آنها و درصد تغییرات هر یک از ٣٠٩٠های شیاردار خانواده مقدار ضرایب برآ در ایرفویل )١جدول
زاویه حمله (درجه) ضریب برآ
شکافایرفویل بدون ۳۰۹۰خانواده ایرفویل
۵%/۰ =h/c (%) تغییر۱% =h/c۲ (%) تغییر%=h/c (%) تغییر۴% =h/c تغییر (%)۰ ۱۰۴/۰ ‐ ۰۰۳/۰ ‐ ۱۵/۴۳ ‐ ۰۷۳/۰ ‐ ۴۶/۶۷ ‐ ۰۱۳/۰ ‐ ۷۷/۸۲ ‐ ۰۶۰/۰ ‐ ۴۸/۹۷
۳ ۳۸۷/۰ ۳۲۲/۰ ‐ ۷۱/۱۶ ۲۹۲/۰ ‐ ۴۷/۲۴ ۲۴۲/۰ ‐ ۳۹/۳۷ ۲۲۰/۰ ‐ ۰۵/۴۳
۶ ۶۹۸/۰ ۶۶۰/۰ ‐ ۵۱/۵ ۶۴۰/۰ ‐ ۳۸/۸ ۶۰۵/۰ ‐ ۳۰/۱۳ ۵۸۴/۰ ‐ ۲۹/۱۶
۱۰ ۸۶۰/۰ ۸۶۸/۰ ۹۰/۰ ۰۳۹/۱ ۷۷/۲۰ ۰۳۹/۱ ۷۷/۲۰ ۸۷۶/۰ ۸۷/۱
۱۴ ۹۴۵/۰ ۰۳۹/۱ ۹۰/۹ ۰۴۷/۱ ۷۸/۱۰ ۰۸۰/۱ ۲۸/۱۴ ۱۸۵/۱ ۳۵/۲۵
۱۷ ۹۸۵/۰ ۰۴۲/۱ ۷۸/۵ ۰۵۸/۱ ۴۵/۷ ۱۰۲/۱ ۸۷/۱۱ ۲۸۱/۱ ۰۵/۳۰
۲۰ ۸۰۰/۰ ۹۱۲/۰ ۹۵/۱۳ ۰۰۲/۱ ۲۱/۲۵ ۰۵۰/۱ ۲۰/۳۱ ۱۸۵/۱ ۰۷/۴۸
۲۲ ۷۰۸/۰ ۷۹۹/۰ ۸۴/۱۲ ۹۰۰/۰ ۱۲/۲۷ ۲۷۳/۱ ۷۷/۷۹ ۰۸۸/۱ ۷۰/۵۳
۲۵ ۸۰۰/۰ ۹۱۱/۰ ۸۸/۱۳ ۱۸۴/۱ ۹۷/۴۷ ۷۷۷/۱ ۱۱/۱۲۲ ۹۳۷/۰ ۰۸/۱۷
نسبت به ایرفویل بدون شکاف آنها و درصد تغییرات هر یک از ٤٠٩٠های شیاردار خانواده مقدار ضرایب برآ در ایرفویل) ٢جدول
(درجه)زاویه حمله ضریب برآ
ایرفویل بدون شکاف ۳۰۹۰خانواده ایرفویل
۵%/۰ =h/c (%) تغییر۱% =h/c۲ (%) تغییر%=h/c (%) تغییر۴% =h/c تغییر (%)۰ ۱۰۴/۰ ۰۴۳/۰ ‐ ۴۱/۳۸ ‐ ۰۲۳/۰ ‐ ۳۸/۵۲ ‐ ۱۰۰/۰ ‐ ۴۲/۷۶ ‐ ۱۸۵/۰ ‐ ۷۴/۹۶
۳ ۳۸۷/۰ ۲۸۹/۰ ‐ ۲۶/۲۵ ۲۶۷/۰ ‐ ۹۵/۳۰ ۲۰۷/۰ ‐ ۶۱/۴۶ ۰۸۳/۰ ‐ ۶۴/۷۸
۶ ۶۹۸/۰ ۵۳۷/۰ ‐ ۰۴/۲۳ ۵۵۶/۰ ‐ ۲۷/۲۰ ۴۹۶/۰ ‐ ۹۶/۲۸ ۳۱۶/۰ ‐ ۷۷/۵۴
۱۰ ۸۶۰/۰ ۸۴۷/۰ ‐ ۵۰/۱ ۹۰۲/۰ ۹۱/۴ ۷۷۸/۰ ‐ ۵۱/۹ ۶۴۶/۰ ‐ ۹۱/۲۴
۱۴ ۹۴۵/۰ ۰۵۱/۱ ۲۱/۱۱ ۰۹۶/۱ ۰۲/۱۶ ۰۱۷/۱ ۵۷/۷ ۰۴۱/۱ ۱۹/۱۰
۱۷ ۹۸۵/۰ ۱۲۰/۱ ۶۶/۱۳ ۰۹۳/۱ ۹۲/۱۰ ۱۹۰/۱ ۷۷/۲۰ ۱۹۶/۱ ۴۷/۲۱
۲۰ ۸۰۰/۰ ۰۴۷/۱ ۸۶/۳۰ ۰۷۳/۱ ۱۶/۳۴ ۱۵۷/۱ ۶۳/۴۴ ۲۴۰/۱ ۹۶/۵۴
۲۲ ۷۰۸/۰ ۹۸۹/۰ ۶۵/۳۹ ۰۴۷/۱ ۸۶/۴۷ ۱۳۴/۱ ۲۳/۶۰ ۲۱۲/۱ ۲۱/۷۱
۲۵ ۸۰۰/۰ ۰۰۴/۱ ۴۵/۲۵ ۰۵۰/۱ ۲۰/۳۱ ۰۷۴/۱ ۳۰/۳۴ ۱۰۲/۱ ۷۴/۳۷
درجه ۱۰از ترکوچکبرای زوایای گرفتهصورتی هایبررسبا توجه به
که پیش از شروع جدایش جریان است، رفتار ضریب برآ در یایبازه از زوا نیدر اصورت خطی است. ی شیاردار بههالیرفویا
لیرفوی) به سطح ااریکامل (بدون ش لیرفویدر ا انیحمله، جرامنظم ن اندکیرا انیرفتار جر ،بازه نیدر ا اریش جادیاست و ا دهیچسب . لذا جریانردیگیمیان از سطح ایرفویل فاصله و قدری جر کندیم
جهیو در نت شودیمزودتر از سطح جدا ،کامل لیرفویا اب در مقایسهاما برای زوایای حمله بالاتر یعنی .شودیمبرآ یرویسبب کاهش ن
درجه که جدایش جریان شروع و به مرور به لبه حمله نزدیک ۱۷تا ۱۰. دکنیممثبت یا منفی خود را اعمال تاثیر، ایجاد شکاف شودیم
جریان شدندهیدمبا توجه با ضخامت شیار و زاویه تاثیراین صورتدرجه، به۱۷متفاوت است. با افزایش زاویه حمله به بیش از
DES ۳۸۷شیار بر کاهش جدایش جریان ایرفویل توربین بادی با استفاده از مدل توربولانسی تاثیر ـــــــ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
Modares Mechanical Engineering Volume 20, Issue 2, February 2020
و این است داشتهمثبتی تاثیرگفت شیار ایجادشده توانیمکلی برآ مشخص است. موضوع از افزایش ضریب
، بیشترین مقدار ضریب برآ در ضخامت ۵و ۴با توجه به نمودارهای است که ۳۰۹۰درجه از خانواده ایرفویل ۲۵در زاویه حمله %۲شیار
و در این زاویه حمله مقدار کرده استبرابری را تجربه ۲/۲افزایش ، ۷و ۶با توجه به نمودارهای است. همچنین ۷۴/۰ضریب پسا برابر
%۴بیشترین ضریب برآ در ضخامت شیار ۴۰۹۰در خانواده ایرفویل افزایش ضریب برآ را %۵۰درجه است که حدود ۲۰در زاویه حمله
۲۲/۰و مقدار ضریب پسای آن نیز در همین زاویه برابر کندیمتجربه خانواده ار از دواست. بنابراین با توجه به ضرایب برآ و پسا این دو شی
ت عملکرد مناسبی نسب توانندیمنتیجه گرفت که توانیممذکور، به سایر شیارها داشته باشند.
با فرض زاویه حمله صفر درجه، ۴۰۹۰و ۳۰۹۰ یهاخانوادهدر ایرفویل ۷/۱۰ا ترتیب برابر بزاویه بین جریان درون شیار با جریان باد (افق) به
این زاویه با تغییر زاویه حمله تغییر عتاً یطبدرجه است. ۹/۱۴و درجه شیارها مسقیماً در ۱۴و ۱۰و در زوایای حمله حدود کندیم
و بیشترین دبی جریان وجود ردیگیممقابل جریان ورودی قرار . بنابراین با وجود جدایش جریان در زاویه حمله [7]داشت خواهدمه با افزایش زاویه . در اداکندینمدرجه ضرایب برآ اُفت ۱۴حدود
، شودیمدرجه جدایش جریان سبب کاهش ضریب برآ ۲۰حمله تا اما در مقایسه با ایرفویل کامل، شیارها در هر دو خانواده مانع از
. شایان ذکر است همان طور که در شودیمافت شدید نیروی برآ در ایرفویل کامل با افزایش شودیمنتایج تجربی و عددی مشاهده
صورت افزایش ضرایب برآ وجود دارد. به ۲۵تا ۲۰زاویه حمله از تاثیرکه دبی جریان کم و %۵/۰مشابه در شیارهای با ضخامت
مشاهده توانیمناچیزی بر رفتار جریان دارد، نیز همین رویه را .ندکیمطور کلی تغییر رفتار جریان به هاشکافنمود اما در دیگر
در ایرفویل کامل مقدار ضریب پسا با افزایش زاویه حمله از حدود زاویه حمله شیب نمودار شدناضافه. با کندیمتغییر ۵/۰صفر تا
درجه به بیشترین ۲۵و در زاویه حمله شودیمضریب پسا تندتر نیز همین رویه را پیش دارشکافی هالیرفویا، رسدیممقدار خود
گفت بیشترین مقدار ضریب پسا در توانیمطور کلی به. اما روندیماتفاق %۴برای ضخامت شدهیبررسی هالیرفویاهر دو خانواده از
گفت میانگین مقدار ضریب پسای توانیم. همچنین افتدیمکمتر بوده و این موضوع ۳۰۹۰از خانواده ۴۰۹۰ی خانواده هالیرفویا
از شیار است. شدهدهیدماهمیت مکان خروج جریان دهنده نشان عنوانبه اریبدون ش لیرفویا ی، منحن۶و ۴نمودارهای توجه به با
یعنوان مثال منحن. لذا بهشده است گرفتهدرنظر سهیمرجع مقا٥/٠% h/c= درجه١٠کمتر از هیتوپر) در زاو رهیدا -خط مبولی(س،
را یشتر یبضریب برآی درجه ١٠ یبالا هیکمتر و در زاو ضریب برآیتا ١٠درجه، ١٠تا صفرمذکور به سه منطقه ی. لذا منحندهدیمنشان درصد هیشده است. در هر زاو میدرجه تقس٢٥تا ١٧درجه و ١٧ریب ض نسبت به ارداریش لیرفویا یمنحن ضریب برآیمقدار راتییتغبرای هر منطقه این درصد محاسبه و اریبدون ش لیرفویا برآی
جیااساس نت نیا بر .شده استن گزارش صورت میانگیتغییرات به ارائه شده است. ۳جدول در
افزایش ضریب برآ در بازه زاویه حمله قبل، حین و بعد از جدایش درصد) ٣ جدول
%ایرفویل ۰ ≤ ۱۰≤
(%)
۱۰ ۱۷≤
(%)
۱۷ ۲۵≤
(%)
۳۰۹۰
۵/۰ ‐ ۸/۱۱ ۲/۷ ۵/۱۸
۱ ‐ ۵/۱۳ ۷/۱۰ ۱/۳۴
۲ ‐ ۸/۹ ۱/۱۳ ۵/۶۸
۴ ‐ ۷/۲۶ ۱/۱۷ ۵/۴۶
‐‐میانگین ۴/۱۵ ۱۲ ۹/۴۱
۴۰۹۰
۵/۰ ‐ ۵/۲۶ ۹/۵ ۴/۳۵
۱ ‐ ۴/۲۲ ۴/۸ ۱/۳۹
۲ ‐ ۸/۳۲ ۷/۴ ۹/۴۸
۴ ‐ ۳/۵۸ ۱ ۸/۵۵
-۳۵‐میانگین ۵ ۸/۴۴
درجه) ۲۵و ۲۲، ۲۰، ۱۷در زوایای حمله بالا ( ۳۰۹۰در خانواده ایرفویل
صورت میانگین در به %۲و ۵/۰جدا شده، شیارهای کاملاً که جریان ترتیب کمترین و به %۵/۶۸و ۵/۱۸بازه مذکور با افزایش ضریب برآ
نیز شیارهای ۴۰۹۰بیشترین تغییرات ضریب برآ را دارند. در خانواده ترتیب کمترین به %۸/۵۵و ۴/۳۵با افزایش ضریب برای %۴و ۵/۰
برآ را در زوایای حمله بالا دارند. توجه و بیشترین تغییرات ضریب، ۱۷ی بالا که شامل هاحملهشود که این مقادیر ضریب برآ، در زاویه
صورت میانگین این چهار زاویه حمله درجه است، به۲۵و ۲۲، ۲۰ تدسبهتا از این طریق اهمیت نتایج شده استمحاسبه و گزارش
شد.آمده در رفتارهای جریانی متفاوت، مشخص باطور میانگین افزایش ضریب برآ در چهار شیار مختلف در بنابراین به
مقدار S809‐3090درجه برای ایرفویل ۱۷ی بزرگتر از هاحملهزاویه است که در %۸/۴۴مقدار S809‐4090و برای ایرفویل ۹/۴۱%
. برای زاویه شودیمجزئیات این اطلاعات مشاهده ۳جدول تغییرات منفی شودیمی کوچک هم همان طور که مشاهده هاحمله
بوده است. اما با توجه به اینکه بخش بزرگ و مهمی از پره توربین گفت که وجود توانیم، کندیمبالایی را تجربه حمله بادی زاویه
بالقوه باعث افزایش نیروی برآ شود و تواندیمشکاف در ایرفویل بود بخشد.قسمت ابتدایی را به ژهیوبه
شایان توجه است که همان طور که در بالا اشاره شد، وجود شکاف بر هر دو نیروی برآ و پسا اثر مناسب بگذارد. اما تواندیمدر ایرفویل
ادی ی بهانیتوربدر حالت کلی ذکر این نکته ضروری است که برای در مقایسه با هواپیما که به ازای افزایش نیروی پسا سوخت بیشتری
کمتری بابت افزایش نیروی نه یهز، در توربین بادی شودیمصرف مکه آن هم مربوط به استحکام سازه توربین شودیمپسا پرداخت
است. از این رو افزایش ضریب برا اهمیت بیشتری دارد. ی دارای هالیرفویاضریب برآ ۸نمودار در نهایت برای این بخش در
کنار ۴۰۹۰و ۳۰۹۰(از نظر ضریب برآ) هر دو خانواده شیار نیترنهیبه %۴و ۲ترتیب دارای ضخامت شیار که به شده است داده قرارهم
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــو همکاران ــــــــــــــــــــــــــــــ یمحمد مشفق ۳۸۸
۱۳۹۸ بهمن، ۲، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی
نتیجه گرفت که توانیمهستند. همان طور که در نمودار پیدا است دارای رفتار S809‐4090‐4نسبت به S809‐3090‐2ایرفویل
بهتری در زوایای حمله بالا و نیز افت کمتری در زوایای حمله پایین را ایجاد کند که آیا سؤالاین تواندیم، این مقایسه علاوهبهاست.
صورت ترکیبی روی یک ایرفویل که محل استفاده از دو شیار به تواندیمورودی مشترک و محل خروج مختلف داشته باشند، آیا
به افزایش بیشتر راندمان آیرودینامیکی شود؟. این موضوعی منجر در تحقیقات آینده توسط پژوهشگران مورد بحث تواندیماست که
و بررسی قرار گیرد.
های بهینه شکاف در نمودار مقایسه ضرایب نیروی برآ برای ضحامت) ٨نمودار S809‐3090و S809‐4090 هایخانوادههای ایرفویل
بررسی اثر شکاف بر میدان جریان و خطوط جریان -٢-٥
یبعدسهصورت به هایساز هیشباشاره شد ترشیپهمان طور که از شدهخارجمنظور درک بهتر اثر جریان و به است گرفته صورت
. در این شکل که شده استآورده ٦شکل شکاف بر پدیده جدایش جریان در شدندهیدمپره در سه زاویه حمله قرار گرفته است، اثر
منظور قبل، حین و بعد جدایش مشخص است. در ادامه بهکردن اثرات آیرودینامیکی وجود شکاف و نیز ضخامت آن، شفافعنوان نمونه و به دلیل تشابه مکانیزم کلی هر دو خانواده در به
٤٠٩٠ ی خانوادههالیرفویا، میدان و خطوط جریان، هاگردابهتشکیل دانگرفته قرارصورت دوبعدی مورد بررسی درجه به٢٢در زاویه حمله
٧شکل . همان طور که که در اندشدهو با ایرفویل کامل مقایسه ، در ایرفویل کامل در این زاویه حمله جدایش جریان شودیممشاهده
و یک ناحیه جریان بازگشتی با شده استحمله شروع لبه از باً یتقر. شودیمانتهای ایرفویل مشاهده سرعت قابل ملاحظه در یک چهارم
ه، طور کامل تغییر کرداما با استفاده از ایرفویل شیاردار این رویه بهشده و از سطح ایرفویل فاصله ترکوچکمقدار منطقه مورد اشاره
که با افزایش ضحامت دهندیم. در حالت کلی تصاویر نشان ردیگیم . بداییمکاهش شیار وسعت و یکپارچگی ناحیه جریان برگشتی
در سه زاویه حمله S809‐3090‐2بعدی از ایروفیل خطوط جریان سه) ٦شکل
درجه و تاثیر شکاف روی ۲۲در زاویه حمله uکانتور سرعت مولفه ) ٧شکل
۴۰۹۰جدایش جریان ایرفویل خانواده
در افقی مولفه سرعت کانتور، ۷شکل در عنوان مثال همچنین به
وادهخان ایرفویل جریان جدایش بر شکاف تاثیر و درجه٢٢ حمله زاویه. با توجه به این شکل و مقایسه دو شیار شده است دادهنشان ٤٠٩٠ جدایش ،%٥/٠ ایرفویل دارای شیار در شودیم مشاهده %٤و ٥/٠
شده روعش حملهلبه ابتدای وتر نسبت بهیک سوم از باً یتقر جریانکرده تغییر کامل طوربه رویه این %٤ شیاردار ایرفویل در اما .است
و جدایش از بعد از شیار شروع شده است.به ی بزرگهاگردابه خردکردنبا توجه به مکانیزم اثر شکاف از طریق ر)، (از نظر توزیع فشا ترفیضعتعدادی گردابه کوچک (از نظر سایز) و
در انتخاب مناسب شیار از تواندیمدانستن مکان جدایش جریان خطوط مختلف، کمک بسزایی کند. به همین منظور یهاخانواده
ی هامیرژدر ۳۰۹۰جریان و کانتور ضریب فشار ایرفویل خانواده مختلف جریان چسبیده به ایرفویل قبل از جدایش، جدا شده و
داده نشان ۸شکل وامانده (زوایای حمله کوچک، متوسط، بزرگ) در
DES ۳۸۹شیار بر کاهش جدایش جریان ایرفویل توربین بادی با استفاده از مدل توربولانسی تاثیر ـــــــ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
Modares Mechanical Engineering Volume 20, Issue 2, February 2020
ی دقیق و کامل از رفتار جریان را نشان اسهیمقاکه امکان اندشده .دهدیم
و 3090خطوط جریان و ضریب فشار برای خانواده ایرفویل شیاردار ) ٨شکل
های متفاوتایرفویل کامل در زاویه حمله
درجه ۶در زاویه حمله شودیمهمان طور که مشاهده ۸شکل در
جریان کامل به سطح ایرفویل چسبیده است. در این زاویه وجود هوای عبوری از روی شودیماز طریق شیار باعث شدهقیتزرجریان
سطح ایرفویل به سمت بالا منحرف شود و آیرودینامیک ایرفویل مختل شود. در این زاویه حمله که پیش از جدایش است به دلیل
ح بالایی قبل از محل جدایش قرار دارد آنکه محل خروج شیار بر سطب دارد، سب دنبالبهافزایش ضخامت شیار که افزایش دبی جریان را
جریان از سطح ایرفویل فاصله بگیرد و به تبع آن ضریب برآ شودیم کاهش پیداکند. درجه محل جدایش جریان قدری جلوتر از محل ۱۰در زاویه حمله
شروع عمکرد توانیمن نقطه را خروج شکاف قرار گرفته است و ایبه داخل جریان شدهدهیدممثبت پدیده شکاف دانست؛ زیرا جریان
و به این ترتیب انرژی آن باعث شودیمتزریق افتهیشیجدا. به همین ترتیب در شودیمو تضعیف ناحیه جدایش خردکردن
درجه، محل جدایش جریان به سمت لبه حمله حرکت ۱۷زاویه حمله که بهترین دمش گرفته استطول وتر قرار ۲/۰در باً یتقر کرده و
کلی محل طوربهمشاهده کرد؛ زیرا %۴در شیار توانیمجریان را برده است و همین موضوع سبب افزایش ترعقبجدایش جریان را
تغییر ایجاد نیتربزرگدرجه ۲۵. در زاویه حمله شده استنیروی برآ ی بزرگ در قسمت بالا و انتهایی ایرفویل است که رفتار هاگردابه
هاگردابهطور کلی تغییر داده است؛ در این میان رفتار جریان را بهی است که افزایش چشمگیر اگونهبه %۲در ضخامت شیار یک و
.همراه داردنیروی برآ را بهیر یگجهینت -۶
در این مقاله اثرات روش کنترل غیرفعال جریان بر ایرفویل توربین DESصورت حل عددی از طریق استفاده از مدل اغتشاشی بادی به
مورد بررسی قرار گرفته و سه عامل محل قرارگیری شکاف، ضخامت ف که برخلا دهدیم. نتایج نشان اندشدهدمش بررسی ه یزاوشکاف و
ن شکاف، مقدار ضرایب برآ و پسای ایرفویل ی متداول بدوهالیرفویا و ترکیبی به هر سه عامل بالا دارند. اما مؤثروابستگی دارشکاف
است که انتهای مؤثرگزاره قطعی این است که وجود شکاف وقتی شکاف روی سطح بالایی در درون منطقه جدایش واقع باشد.
رگرفتن محققان با درنظ دارشکافبنابراین برای بررسی کاربرد ایرفویل را بر اساس سه پارامتر دارشکافایرفویل توانندیمملزومات طراحی
در نمودارهای ضریب برآ و پسا مشاهده شد، آنها تاثیرکه شدهاشاره انتخاب کنند.
با S809از ایرفویل دارشکاف در این تحقیق دو هندسه مختلفی ساز هیشب ۲۵ر تا چهار ضخامت شکاف مختلف در زوایای حمله صف
شده و ضرایب نیروهای برآ، پسا و نیز خطوط جریان و پدیده جدایش یان که در م دهدیم. نتایج نشان گرفته استمورد بررسی قرار آنهادر ‐S809و S809‐3090‐2دو ایرفویل شدهیبررسی هالیرفویا
دارای ضرایب برآ بیشتری بوده است. برای این دو ایرفویل 4‐4090ی بالا یعنی در جریان جدایافته از سطح، میانگین هاحملهدر زاویه
است که این مقدار ۸/۵۵و ۵/۶۸ترتیب برابر افزایش ضرایب برآ بهوان ت تواندیمبرای یک روش کنترل غیرفعال بسیار مناسب است و
هزینه کمتری افزایش دهد. همچنین بررسی توربین بادی را با صرفنیروی ۳۰۹۰که خانواده ایرفویل دهدیمنتایج نیروی پسا نشان
. کرده استتولید ۴۰۹۰پسای بیشتری نسبت به خانواده ایرفویل قابل ذکر است که اگرچه وجود شکاف در ایرفویل، هر دو نیروی برآ
ه مسئله مورد نظر ، اما با توجه به اینکدهدیمو پسا را افزایش پره توربین بادی است، افزایش نیروی برآ از شه یرقسمت میانی و
اهمیت بیشتری برخوردار است.
مرکز پژوهشمسئولین و تشکر از ریتقد تینهاتشکر و قدردانی: قراردادن اریشود که با در اختیدانشگاه سوگنگ م CFD یمهندس
سریپژوهش را م نیا هایسازیشبیه سازیپیادهسرور، امکان ساختند.
توسط نویسندگان گزارش نشد.موردی تاییدیه اخلاقی: موردی توسط نویسندگان گزارش نشد.تعارض منافع:
(نویسنده اول)، یمحمد مشفق سهم نویسندگان: )؛%٢٥شناس/پژوهشگر اصلی/تحلیلگر آماری/نگارنده بحث (روش
نگارنده (نویسنده دوم)، شاهرخ شمس یمرتض )؛%٢٥( شناس/پژوهشگر اصلی/تحلیلگر آماری/روشمقدمه )؛%٢٥/نگارنده بحث (گر اصلی)، پژوهشسومنویسنده ( یرمضان کمکی/تحلیلگر آماری)، پژوهشگر چهارم(نویسنده کان هور نم)٢٥%(
موردی توسط نویسندگان گزارش نشد. منابع مالی:
منابع1‐ International Energy Agency. World energy outlook2013 [Report]. France: International Energy Agency;2013November.2‐ Jonkman JM. Modeling of the UAEwind turbine forrefinement of fast‐AD [Report]. Golden, Colorado:NationalRenewableEnergyLaboratory;2003December.3‐BagheriE,NejatA.Numericalaeroelasticanalysisof
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــو همکاران ــــــــــــــــــــــــــــــ یمحمد مشفق ۳۹۰
۱۳۹۸ بهمن، ۲، شماره ۲۰دوره پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس -ماهنامه علمی
windturbineNRELphaseVIrotor.EnergyEquipmentandSystems.2015;3(1):45‐56.[Persian]4‐BaiYL,MaXY,MingX.Liftenhancementofairfoilandtip flowcontrol forwind turbine. AppliedMathematicsandMechanics.2011;32(7):825‐836.5‐ Vesel RW, McNamara JJ. Performance enhancementand load reduction of a 5 MW wind turbine blade.RenewableEnergy.2014;66:391‐401.6‐MaldonadoV,CastilloL,ThormannA,MeneveauC.Theroleoffreestreamturbulencewithlargeintegralscaleonthe aerodynamic performance of an experimental lowReynolds number S809 wind turbine blade. Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics.2015;142:246‐257.7‐MoshfeghiM,SongYJ,XieYH.Effectsofnear‐wallgridspacing on SST‐K‐ω model using NREL phase VIhorizontalaxiswindturbine.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics.2012;107‐108:94‐105.8‐MoshfeghiM,LuK,XieYH.Anewmethodforhorizontalaxiswindturbineangleofattackdetermination.AppliedMechanicsandMaterials.2013;291‐294:425‐428.9‐ Gad‐el‐Hak M. Flow control: Passive, active, andreactive flow management. Cambridge: CambridgeUniversityPress;2009.10‐ Moshfeghi M, Hur N. Effects of SJA boundaryconditions on predicting the aerodynamic behavior ofNACA 0015 airfoil in separated condition. Journal ofMechanical Science and Technology. 2015;29(5):1829‐1836.11‐ Suzen Y, Huang G, Jacob J, Ashpis D. Numericalsimulations of plasma based flow control applications.35th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit 6‐9June2005,Toronto,Ontario,Canada.Reston:AIAA;2012.12‐CerretelliC,GharaibahE,ToplackG,GuptaA,WuerzW. Unsteady separation control for wind turbineapplications at full scale Reynolds number. 47th AIAAAerospaceSciencesMeetingincludingTheNewHorizonsForum and Aerospace Exposition, 5‐8 January 2009,Orlando,Florida.Reston:AIAA;2012.13‐GilarranzJL,TraubLW,RediniotisOK.Anewclassofsynthetic jet actuators—part II: Application to flowseparation control. Journal of Fluids Engineering.2005;127(2):377‐387.14‐MoshfeghiM,HurN.EffectsofsyntheticjetactuatorexitlocationonaerodynamicsofS809airfoilathighangleofattack.2013;10:50‐54.15‐LimJW,YeoH.ApplicationofaslottedairfoilforUH‐60Ahelicopterperformance.AmericanHelicopterSocietyAerodynamics,Acoustics,andTestandEvaluation
Technical Specialist Meeting; 2002, Journay 23‐25, SanFransisco.WashingtonD.C:NASA.16‐ Buhl T, Andersen PB, Barlas TK. 2D numericalcomparison of trailing edge flaps‐UpWind WP1B3[Report].Roskilde:RisøNationalLaboratory;2007.17‐ Ragheb A, Selig M. Multi‐element airfoilconfigurationsforwindturbines.Proceedingofthe29thAIAAAppliedAerodynamicsConference;2011June27‐30;Honolulu.18‐RamziM,AbdErrahmaneG.Passivecontrolviaslottedbladinginacompressorcascadeatstallcondition.JournalofAppliedMechanics.2013;6(4):571‐580.19‐MoshfeghiM,HurN.NumericalinvestigationontheCoanda effect over the S809 airfoil with synthetic jetactuatorathighangleofattack.ASME20144thJointUS‐EuropeanFluidsEngineeringDivisionSummerMeeting;2014August3‐7;Chicago,Illinois,USA.NewYork:ASME;2014.20‐HattoriH,UmeharaT,NaganoY.ComparativestudyofDNS,LESandhybridLES/RANSofturbulentboundarylayer with heat transfer over 2d hill. Flow, TurbulenceCombustion.2013;90(3):491‐510.21‐ Moshfeghi M, Shams S, Hur N. Aerodynamicperformance enhancement analysis of horizontal axiswind turbines using a passive flow controlmethod viasplit blade. Journal ofWind Engineering and IndustrialAerodynamics.2017;167:148‐159.22‐VyasS.ANSYSmeshinguser’sguide[Internet].[cited2019 May 8]. Available from:https://www.academia.edu/27974461/ANSYS_Meshing_Users_Guide23‐ShurM, SpalartPR, StreletsM,TravinA.Detached‐eddy simulation of an airfoil at high angle of attack.Engineering Turbulence Modelling and Experiments 4.Proceedings of the 4th International Symposium onEngineering Turbulence Modelling and Measurements;1999,May24–26;Ajaccio,Corsica:669‐67824‐ CD‐Adabco. STAR‐CCM+Ver 11.02.009 user guide/theory manual [Internet]. 2014. [cited 2019 May 8].Availablefrom:NotFound25‐ MoshfeghiM, Xie Y. CFD investigation of effects ofwind tunnelwallson flowpropertiesoverS809airfoil.AIP conference proceedings.2013;1547(1):10.1063/1.4816926.26‐MoshfeghiM,HurN.Numericalstudyontheeffectsofasynthetic jetactuatoronS809airfoilaerodynamicsatdifferent flow regimes and jet flow angles. Journal ofMechanical Science and Technology. 2017;31(3):1233‐1240.
