Flow Physics and Aerodynamic Control of the Vertical Axis Wind Turbine through Novel Slotted Blades
Yarıklı Kanatlar Aracılığıyla Dikey Eksenli Rüzgar Türbinlerinde Akışın Fiziği ve Akışın Aerodinamik Kontrolü
- Tez No: 1007736
- Danışmanlar: PROF. DR. LIN MA, PROF. DR. DEREK B INGHAM, PROF. DR. MOHAMED POURKASHANİAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The Unıversıty Of Sheffıeld
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Düz kanatlı düşey eksenli rüzgâr türbinleri (VAWT'ler), yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma açısından son derece umut verici bir teknolojidir. VAWT'ler, konut yapılarıyla entegre edilebilme, rüzgâr yönünden bağımsız olarak gelen akışı kullanabilme, düşük kurulum maliyetleri, çevreye neden oldukları gürültü kirliliğinin azlığı ile kolay kurulum ve bakım imkânı gibi özellikleri nedeniyle, günümüzde daha yaygın olan yatay eksenli türbinlere kıyasla daha cazip hale gelmektedir. Bununla birlikte, VAWT'lerin dezavantajları arasında yatay eksenli türbinlere göre daha düşük performans sergilemeleri ve kendi kendine çalışmaya başlama (self-starting) yeteneklerinin zayıf olması yer almaktadır. VAWT'lerin karşılaştığı bu iki temel soruna çözüm bulma motivasyonuyla, yeni tip yarıklı kanatlara sahip VAWT'lerin aerodinamik performansı üzerine iki boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Düşey eksenli rüzgâr türbinlerinin aerodinamik davranışını anlamak; özellikle düşük uç hız oranı (Tip Speed Ratio - TSR) koşullarında sıkça meydana gelen dinamik stall ile ilişkili akış ayrılmaları ve girdap oluşum aşamaları gibi karmaşık aerodinamik olayların doğru şekilde tahmin edilmesine bağlıdır. Bu amaç doğrultusunda, öncelikle Darrieus benzeri hareketle salınım yapan farklı yarık tasarımlarına sahip kanatların dinamik performansları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Tekil kanat profili üzerine yapılan çalışmalar, yarık içerisinden enjekte edilen akış sayesinde akış ayrılmasının etkin şekilde azaltılması durumunda, geleneksel kanat profiline kıyasla, yarık çıkışı ile hücum kenarı arasındaki bölgede girdapların daha güçlü etkisi nedeniyle emme basıncında artış meydana geldiğini; buna karşın yarık çıkışı ile firar kenarı arasındaki bölgede ise emme basıncında belirgin bir azalma olduğunu göstermiştir. Bunun ardından, yeni tip yarıklı kanatlara sahip bir VAWT'nin aerodinamik performansına yönelik incelemeler, uygun kanat sabit açısı seçildiğinde, yarıklı kanatlı türbinin ürettiği torkun hem TSR=1.38 hem de TSR=2.19 çalışma koşullarında artırılabildiğini ortaya koymuştur. Yarıklı kanatlara sahip türbinlerin kendi kendine çalışmaya başlama performansına yönelik çalışmalar ise, düşük serbest akış hızlarında geleneksel kanatlı türbinlerin kendi kendine çalışamadığını, buna karşılık yarıklı kanatlı türbinlerin durgun halden başlayarak kararlı çalışma hızına ulaşabildiğini göstermektedir. Öte yandan, yüksek serbest akış koşullarında, yarıklı kanat konfigürasyonuna bağlı olarak türbinlerin oldukça hızlı bir şekilde kendi kendine çalışabildiği, ancak nihai dönme hızında bir miktar azalma meydana geldiği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Vertical axis wind turbines (VAWTs) with straight blades are an extremely promising technology for exploiting from renewable energy sources. VAWTs are more appealing than their currently more popular horizontal axis counterparts because of their ability to being able to integrate into residential buildings, their ability to use incoming airflow regardless of direction, their low installation costs, the minimal noise pollution they cause to the environment, and their ease of installation and maintenance. On the other hand, the disadvantages of VAWTs include lower performance when compared to horizontal axis wind turbines and a lack of self-starting capabilities. With the motivation to find solutions to these two challenges that VAWTs suffer from, 2D CFD studies have been carried out on the aerodynamic performance of VAWTs with novel slotted blades. Understanding the aerodynamic behavior of vertical axis wind turbines is dependent on predicting complex aerodynamic phenomena, such as the stages of vortex development and flow separations associated with dynamic stall, which occurs frequently, particularly under low Tip Speed Ratio (TSR) operating conditions. With this aim, first an in-depth investigation of the dynamic performance of blades with different slotted designs oscillating with Darrieus-like motion have been performed. Investigations on the single airfoil oscillating with Darrieus-like motion have shown that when the flow separation is effectively minimized with the flow injected by the slot compared to the conventional airfoil, an increase in the suction pressure is observed in the region from the slot exit to the leading edge due to the more intense effect of vortices, while a significant decrease in suction pressure is observed in the region from the slot exit to the trailing edge of the suction side of the airfoil. Then, the aerodynamic performance investigations of a VAWT with novel slotted blades have concluded that with the suitable blade fixed angle, the torque produced by the turbine with slotted blade can be improved both under TSR=1.38, and 2.19 conditions. Studies on the self starting performance of turbines with slotted blades have shown that under low freestream conditions, turbines with conventional blades lack self-starting capability, while turbines with slotted blades can reach the final rotational speed in steady-state from rest. On the other hand, at high freestream conditions, depending on the type of slotted blade configuration, the turbine can self-start very quickly, although some reduction in the final rotational speed is achieved.
Benzer Tezler
- Gemi etrafındaki sınır tabakanın incelenmesi
A Study on the boundary layer surrocnding ship hulls
BARIŞ BARLAS
- Numerıcal sımulatıons on vortex domınated delta wıngs wıth anısotropıc adaptıve mesh generatıon
Ani̇zotropi̇k uyarlanabi̇li̇r ağ üreti̇mi̇ i̇le gi̇rdap etki̇li̇ delta kanatlar üzeri̇nde sayisal si̇mülasyonlar
HÜSEYİN AKGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞAHİN
- Sürekli üfleme aktif kontrol yöntemi ile OA209 kanat profilinin dinamik stall karakterinin incelenmesi ve iyileştirilmesi
Investigation and improvement of the dynamic stall characteristics of the OA209 airfoil using a continuous blowing active control method
FURKAN KEMAL KART
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Solving Navier Stokes equations with physics informed neural network for calculation of aerodynamic forces
Aerodinamik kuvvetleri hesaplamak için Navier-Stokes denklemlerinin fizik bilgili nöral ağ ile çözümü
SILA AKPINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Control of leading edge vortex and three-dimensional surface separation on a non-slender delta wing using passive and active techniques
Düşük ok açılı delta kanatlar üzerindeki hücum kenarı girdaplarının ve üç boyutlu yüzey akış ayrılmalarının pasif ve aktif teknikler ile kontrolü
CENK ÇETİN
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET METİN YAVUZ