Ice accretion prediction on wind turbine blades and aerodynamic shape optimization for minimizing power production losses
Rüzgar türbin pallerinde buz birikim tahmini ve güç üretim kayıplarını düşürmek için aerodinamik şekil eniyilemesi
- Tez No: 529856
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER, PROF. DR. SERKAN ÖZGEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Science and Technology, Aeronautical Engineering, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Dünya çapında rüzgar enerjisi kaynakları soğuk iklim bölgelerinde ve dağlık arazilerde bolca bulunmasına rağmen rüzgar türbin pallerinde buzlanmaya neden olur. Rüzgar türbin palasında buz şekillerini tahmin edebilmek buzlanma kaynaklı güç üretim kayıplarını hesaplamayı olanaklı hale getirmiştir. Rüzgar türbin pallerinde buz birikimi kaydadeğer bir şekilde aerodinamik sürüklenme kuvvetinde bir artışa ve aerodinamik kaldırma kuvvetinde bir azalışa neden olur, ve hatta erken akış ayrışmasına sebep olabilir. Tüm bu olaylar güç kayıplarını doğurur ve bu kayıpların miktarı buzlanmanın şiddetine ve türbin pala profiline bağlıdır. Bu çalışmanın amacı, yatay eksenli rüzgar türbinlerinde farklı buzlanma koşulları altında buz birikim tahmini ve buna bağlı güç kayıplarını efektif ve doğru bir şekilde sayısal bir yöntem geliştirerek hesaplamaktır. Ayrıca, gradyen tabanlı aerodinamik şekil eniyileştirme yapılarak buz birikimi kaynaklı güç kayıbını minimize etmektir. Pala profillerinde buz birikim tahmini yapmak için Genişletilmiş Messinger Modeli ve temiz ve buzlanmış rüzgar türbinlerinde güç üretim tahmini için Pal Elemanı-Momentum (Blade Element Momentum - BEM) Teorisi uygulanmıştır. Rüzgar hızı, sıcaklık ve sıvı su içeriği gibi kritik parametrelerin buzlanma boyut ve şekilleri üzerindeki rolü detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Değişik kanat profilleri üzerinde tahmin edilen buz şekilleri literatürde bulunan deneysel ve sayısal veriler karşısında doğrulandı. Bu geliştirilen aracın benzer atmosferik buzlanma koşullarında rüzgar türbin güç üretim kayıplarını etkin bir biçimde tahmin etmekte kullanılabileceği gösterilmiştir. Eniyileştirme sürecinde pala profili bump fonksiyonları kullanılarak hücüm kenarı cıvarında modifiye edildi ve eniyileştirme sabit rüzgar hızında gerçekleştirildi. Eniyileştirilmiş pala profilinin buzlanma nedenli güç üretim kaybını azalttığı ve bu azalışın eniyileştime koşulları altında daha etkin sonuç verdiği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The global wind energy resources are plentiful in cold climate regions and mountainous areas, which cause ice formation on wind turbine blades. Prediction of ice accretion on wind turbine blades makes it possible to estimate the power losses due to icing. Ice accretion on wind turbine blades is responsible for significant increases in aerodynamic drag and decreases in aerodynamic lift, and may even cause premature flow separation. All these events create power losses and the amount of power loss depends on the severity of icing and the turbine blade profile shape. The main objective of this study is to develop a cost-effective and accurate numerical methodology to predict ice accretion on horizontal axis wind turbines and ice-induced power losses under various icing conditions. In addition, a gradient based aerodynamic shape optimization is performed to minimize the power production loss due to ice accretion. The Extended Messinger Model is implemented for the prediction of ice accretion on blade profiles, and the Blade Element Momentum Methodology is implemented for the prediction of power production of clean and iced wind turbines. The role of critical parameters such as wind speed, temperature and liquid water content on ice accretion is studied in detail. The predicted ice shapes on various airfoil profiles are validated against available experimental and numerical data in literature. It is shown that the tool developed may effectively be used in the prediction of power production losses of wind turbines at representative atmospheric icing conditions. In the optimization study, the blade profile is modified by using bump functions around the leading edge of the blade profile, and it is shown that the optimized blade profile reduces the power production loss due to icing.
Benzer Tezler
- An ice accretion prediction tool for airfoils based on OpenFOAM
OpenFOAM'a dayalı uçak kanatları için bir buzlanma tahmin aracı
SEGHAER HOSSEIN EDEEB
Doktora
İngilizce
2019
Havacılık MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMühendislik Sistemlerinin Modellenmesi ve Tasarımı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN UMUR AKAY
PROF. DR. SERKAN ÖZGEN
- Ice accretion simulation and scaling analysis for conceptual design of an icing wind tunnel
Buzlanma rüzgar tünelı̇nı̇n kavramsal tasarımı ı̇çı̇n buz oluşumu sı̇mülasyonu ve ölçeklendı̇rme analı̇zı̇
MEHMET HARUN ÖZKANAKTI
Doktora
İngilizce
2023
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN ÖZGEN
- Numerical simulation of aircraft icing with an adaptive thermodynamic model considering ice accretion
Buz birikimini göz önüne alarak uyarlanmış bir termodinamik model ile uçakta buzlanmanın sayısal benzetimi
HADI SIYAHI
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- Uçaklarda buzlanmanın nümerik olarak incelenmesi ve uçuş profili boyunca hava tahmin modeli uygulaması
Numerical investigation of aircraft icing and practice of weather forecast model along flight profile
ÖMER AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
- Ice accretion prediction with mixed phase cloud particles
Karışık fazdaki bulut partikülleri ile buz birikimi tahmini
ERDEM AYAN
Doktora
İngilizce
2017
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN ÖZGEN