Effects of inflow boundary layer on the wake characteristics of a radially non-uniform porous disc
Radyal olarak değişken gözenekliliğe sahip bir gözenekli diske giriş akiş sinir tabakasinin etkileri
- Tez No: 712292
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ UZOL, DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA PERÇİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- 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: 240
Özet
Bu tez çalışmasında radyal olarak değişken gözenekliliğe sahip bir gözenekli diskin giriş sınır tabaka akış etkisi altındaki iz bölgesi karakteristikleri ortalama akış, türbülans ve iz bölgesi ölçeklendirme yönlerinden deneysel olarak incelenmiştir. Gözenekli disk, düz bir arazi üzerindeki nötr atmosferik sınır tabakayı temsil eden bir sınır tabakanın içine çeşitli konumlarda yerleştirilmiş ve bu konumlarda gözenekli diskin iz bölgesinde 7.5 çap akışaltı uzaklığa kadar iki-boyutlu, iki-bileşenli parçacık görüntülemeli hız ölçümü tekniği kullanılarak deneysel ölçümler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar normal şartlar altında simetrik olan iz bölgesi hız profillerinin sınır tabakanın içindeyken disk önündeki hız profili nedeniyle disk orta çizgisi etrafında eğildiğini ve kırıldığını göstermektedir. Türbülans kinetik enerjisi, türbülans kinetik enerjisi üretimi ve Reynolds kayma gerilmesi seviyelerinin iz bölgesinde orta çizgi etrafında asimetrik olduğu görülmüştür. Türbülans kinetik enerji üretimi orta çizgi üzerinde daha yüksektir. Disk önündeki hız profili nedeniyle iz bölgesi orta noktası aşağı doğru (rüzgar tüneli alt duvarına doğru) kaymaktadır. Bu durum, literatürdeki gerçek boyutlu rüzgar türbini üzerinde yapılan gözlemlere ters düşmektedir. İz bölgesinin her iki tarafı için ayrı ayrı hesaplanan, hız profilinin yerel gerilmesinin ortalama gerilmesine oranına dayalı belirlenmiş uygun ölçeklendirme parametreleri kullanılarak hem akış yönündeki hem de akışa dik yönderki asimetrik ve çarpık hız profillerinin sabit bir dağılıma indirgenmesi mümkün olmaktadır. Rüzgar türbini iz bölgelerinin analitik modeller kullanılarak doğru bir şekilde öngörülebilmesi için iz bölgesi büyüme oranının doğru değerlendirilebilmesi kritik öneme sahiptir. Rüzgar tünellerinde rüzgar türbinlerinin iz bölgelerini benzeştirebilmek amacıyla kullanılan gözenekli disklerin iz bölgesi büyüme oranı parametreleri özellikle düşük ortam türbülans yoğunluğunda rüzgar türbinlerine göre çoğunlukla daha yüksektir. Bir gözenekli diskin ve bir rüzgar türbini tarafından akışa eklenen türbülansın farklılıkları da farklı ortam türbülans yoğunluğu koşullarında araştırılmıştır. Disk ve rotor iz bölgesi türbülansı ile birlikte eksenel indükleme faktörünü de hesaba katan yeni bir denklem önerilmiştir. Buna ek olarak, gözenekli diskler ve rüzgar türbinlerine ait deneysel veri Bastankhah ve Porté-Agel ve Ishihara ve Qian iz bölgesi modelleri ile yapılan tahminler ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar yeni önerilen iz bölgesi büyüme oranı denkleminin genel olarak daha iyi çalıştığını ve iz bölgesi modellerine eklenerek gerçek boyutlu rüzgar türbinlerinin iz bölgelerinin tahmininde kullanılabilme potansiyelinin olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis study presents the results of an experimental investigation focusing on the effects of inflow boundary layer on the wake characteristics of a porous disc (disc diameter-to-boundary layer height is 0.2) with radially non-uniform porosity in terms of mean flow, turbulence, wake scaling, and proper orthogonal decomposition. Two-dimensional two-component particle image velocimetry measurements within the wake are performed up to 7.5 diameters downstream as the disc is lowered deeper in to a boundary layer that is representative of a neutral atmospheric boundary layer over a flat terrain (corresponds to 435 scale factor compared to field length scale). Results show that otherwise symmetrical wake velocity profiles that exist outside the boundary layer get skewed and sheared around the disc centerline in the boundary layer due to the inflow wind shear. The turbulent kinetic energy, its production and Reynolds shear stress levels in the wake get asymmetrical around the centerline of the disc such that the production of turbulent kinetic energy is observed to be higher above centerline. Due to the inflow shear, the wake centerline gets shifted downwards (i.e., towards the wind tunnel wall), which is in contrast to the observations on real wind turbine wakes in the literature where the wake actually lifts up. The asymmetrical and skewed velocity profiles both in the streamwise and cross-stream directions can be collapsed onto a single function by using proper wake scaling parameters based on the ratio of local strain to average strain within the velocity profile calculated separately for either side of the wake. Proper orthogonal decomposition reveals that the most energetic modes are the first and second modes. The differences in the modes are significant when the disc is at different positions within the boundary layer. Finally, the wake velocity profiles of the porous disc are compared against model predictions from the Bastankhah and Porté-Agel wake model and the Ishihara and Qian wake model under different inflow conditions. A method is proposed as an extension to the wake models to generate asymmetric wake velocity profiles. The comparison illustrates the deviation due to the wake growth rate and initial wake width estimation. The wake growth rate of the porous disc can be significantly higher than field turbines as well as those estimated through empirical relations suggested in the literature in the context of engineering wake models, particularly at low ambient turbulence conditions. This suggests caution in the use of porous discs to simulate wind turbine wakes and wind farms in wind tunnel studies. Results show that the when using the estimated wake growth rate and initial wake width of the porous disc, the wake models show better predictions overall for all the test cases considered.
Benzer Tezler
- Ambient turbulence intensity effects on the characteristics of wake development of a model wind turbine and a matched porous disc
Bir model rüzgar türbini ve uyumlu bir gözenekli diskin iz bölgesi gelişiminin özellikleri üzerine etkileri
BUĞRAHAN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ UZOL
- Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin aerodinamik kapsamı ve güç belirlenmesi analizlerinde potansiyel akım yöntemleri
Aerodynamic aspects of wind energy conversion systems and potential flow methods in performance prediction analysis
ALİ ALPER AKYÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. ADİL YÜKSELEN
- Küt cisimlerde sürüklenme kuvvetinin azaltılması için kilitlenmiş girdap oluşumlarının deneysel yöntemlerle araştırılması
Başlık çevirisi yok
ŞEREF ERKARA
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ZEKİ ERİM
- Hysterical effects in flow characteristics in the wake region of group of cylinders during the passage of gradually varying unsteady flow
Tedrici değişken akım koşullarında silindir iz bölgesindeki akım ve türbülans karakteristiklerinde histerik etkiler
ERYILMAZ ERDOG
Doktora
İngilizce
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORAL YAĞCI
- Large eddy simulation of secondary flow structures in low-pressure turbine blade
Düşük basınç türbin palinde ikincil akış yapılarının büyük girdap benzetimi
SEYFULLAH ÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR