Performance Calculations for a Model Turbine

Abstract

En modell av en vindturbin er studert numerisk og eksperimentelt. Dette er gjort for å verifisere at modellen fungerer i henhold til de beregninger som ble lagt til grunn i designprosessen. Vindturbinen har en diameter på 0.9m. Numeriske beregniner av vindturbinens effekt- og dragkoeffisient har blitt kalkulert under forskjellige driftsbetingelser. Både en Bladelementmetode (BEM) og en fullstendig løsning av bevegelseslikningene (CFD) har blitt benyttet. Eksperimentelle målinger ble deretter utført i vindtunnelen for å ha et sammelikningsgrunnlag.Modellturbinen benytter et NREL s826 profil langsmed hele bladet. Grundige todimensjonale undersøkelser av dette profilet ble gjennomført, et studie som resulterte i løft og dragkurver for BEM-beregningene, samt anbefalinger for gridoppløsning i det tredimensjonale gridet som skulle bli konstruert.Et hybridgrid bestående av 3.54 millioner celler ble benyttet i CFD-simuleringen. Strømingen ble antatt å være rotasjonsmessig periodisk, og Menters SST modell ble benyttet for å modellere de turbulente størrelsene.Det ble observert god overensstemmelse mellom eksperimentelle og numeriske resultater. CFD-resultatene viste seg å stemme best overens med den målte effektkoeffisienten, med avvik under 5%.Det ble oppdaget at strømingen rundt vindturbinen ble svært tredimensjonal ved lave tupphastighetsrater. Denne tredimensjonaliteten synes å oppstå når roten av bladet steiler, og forplanter seg langsmed dette i det tupphastighetsraten senkes ytterligere. BEM-metoden er ikke i stand til å beskrive denne prosessen, men viste seg å predikere bladets steiling svært bra.Det viste seg at vindturbinen opplever en rotasjonsmessig forsterking av løftekraften på vingeseksjoner nær roten på grunn av disse tredimensjonale effektene. De tredimensjonale effektene antas å være avhengige av vingerotens geometriske utforming.I eksperimentet ble det observert kraftige dynamiske effekter ved begynnene steiling. Disse kan være knyttet til regulær steiling av bladet, men det er indikasjoner på at laminære effekter kan være involvert. Disse effektene ble ikke observert i CFD-simuleringene da en fullturbulent beskrivelse ble benyttet. Effekten rotasjon har på transisjon i grensesjiktet bør studeres videre, da dette kan ha betydning for dynamiske krefter på vindturbiner. Videre er fysikken bak rotasjonsmessig løftforsterkning utilstrekkelig beskrevet, noe som inviterer til videre studier.