Πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση αεροδυναμικής συμπεριφοράς πτερύγων σε διφασική ροή αέρα-νερού και εφαρμογή σε πτερύγια ανεμοκινητήρων
Authors: Δουβή Ελένη 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση αεροδυναμικής συμπεριφοράς πτερύγων σε διφασική ροή αέρα–νερού και η εφαρμογή σε πτερύγια ανεμοκινητήρων. Αρχικά, γίνεται πειραματική και υπολογιστική μελέτη μονοφασικής ροής αέρα γύρω από αεροτομές, πτέρυγες και πτερύγιο ανεμοκινητήρα και στη συνέχεια μελέτη διφασικής ροής αέρα-νερού γύρω από τα ίδια σώματα. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων της μονοφασικής ροής με τα αντίστοιχα της διφασικής ροής αέρα-νερού είναι αναγκαία ώστε να μελετηθούν οι επιπτώσεις της διφασικής ροής αέρα–νερού στην αεροδυναμική απόδοση.Η πειραματική ανάλυση αφορά τη διεξαγωγή πειραμάτων για τη μελέτη της αεροδυναμικής συμπεριφοράς αεροτομών και πτερύγων σε συνθήκες μονοφασικής και διφασικής ροής. Για την προσομοίωση συνθηκών διφασικής ροής αέρα-νερού τροποποιείται η αεροσήραγγα που διαθέτει ήδη το Εργαστήριο με την προσαρμογή ειδικών ακροφυσίων ψεκασμού νερού (συνθήκες βροχής). Για τις ανάγκες των πειραμάτων χρησιμοποιούνται τα μοντέλα αεροτομών και πτερύγων NACA 0012 που συνοδεύουν την αεροσήραγγα και κατασκευάζονται αεροτομή και πτέρυγες S809. Τα πειράματα μονοφασικής και διφασικής ροής γίνονται για την ίδια ταχύτητα αέρα. Για τη διφασική ροή αέρα-νερού εξετάστηκαν τέσσερις διαφορετικές πυκνότητες περιεχόμενης βροχής. Η υπολογιστική ανάλυση γίνεται με το υπολογιστικό πακέτο ANSYS CFD-Fluent. Αρχικά, γίνονται προσομοιώσεις για μονοφασική ροή αέρα γύρω από την αεροτομή NACA 0012, για την οποία υπάρχει πλήθος δημοσιευμένων αποτελεσμάτων, με τρία διαφορετικά μοντέλα τύρβης ώστε να βρεθεί το καταλληλότερο. Ο συντελεστής άνωσης υπολογίζεται με μεγάλη ακρίβεια, σε αντίθεση με το συντελεστή αντίστασης. Το πρόβλημα αυτό οφείλεται στην αδυναμία του Fluent να υπολογίσει το σημείο μετάβασης του οριακού στρώματος από στρωτό σε τυρβώδες. Κρίνεται επομένως αναγκαίο να γίνει σύγκριση του συντελεστή αντίστασης με πειραματικά δεδομένα για πλήρως τυρβώδες οριακό στρώμα. Για ακόμα πιο ακριβή αποτελέσματα αναπτύσσεται αλγόριθμος για τον υπολογισμό του σημείου μετάβασης από στρωτό σε τυρβώδες οριακό στρώμα και γίνονται προσομοιώσεις ορίζοντας την περιοχή αριστερά από το σημείο μετάβασης ως στρωτή και δεξιά από αυτό ως τυρβώδη. Υπολογίζονται οι κατανομές πίεσης και ταχύτητας γύρω από την αεροτομή, καθώς επίσης και τα σημεία ανακοπής, μέγιστης ταχύτητας, αποκόλλησης και επανακόλλησης του οριακού στρώματος. Παρουσιάζονται επίσης οι ροϊκές γραμμές και τα διανύσματα της ταχύτητας γύρω από την αεροτομή. Αντίστοιχες προσομοιώσεις γίνονται και για την αεροτομή S809. Για τη μελέτη του τρισδιάστατου χαρακτήρα της ροής, γίνονται προσομοιώσεις γύρω από πτέρυγα S809. Υπολογίζονται οι συντελεστές άνωσης και αντίστασης, τα σημεία ανακοπής, μέγιστης ταχύτητας, αποκόλλησης και επανακόλλησης του οριακού στρώματος. Επίσης παρουσιάζονται κατανομές της έντασης της τύρβης στην άνω επιφάνεια της πτέρυγας και της συνισταμένης ταχύτητας, της ταχύτητας στη z-διεύθυνση, της έντασης της τύρβης και της επιτάχυνσης της ροής πίσω από την πτέρυγα. Για τη μελέτη της ροής γύρω από περιστρεφόμενο πτερύγιο γίνονται προσομοιώσεις γύρω από το πτερύγιο Phase IV της NREL. Γίνεται μελέτη της κατανομής της αξονικής ταχύτητας πίσω από το δρομέα, της κατανομής της στατικής πίεσης και της έντασης της τύρβης πάνω στην επιφάνεια του πτερυγίου και της κατανομής της στατικής πίεσης σε διάφορα σημεία πάνω στο πτερύγιο. Η υπολογιστική μελέτη της διφασικής ροής αέρα-νερού γίνεται αρχικά για την αεροτομή NACA 0012 με πυκνότητα περιεχόμενης βροχής LWC=30 g/m³, επειδή υπάρχουν αντίστοιχα έγκυρα πειραματικά αποτελέσματα ώστε να γίνει σύγκριση για την εγκυρότητα της διαδικασίας της προσομοίωσης. Στη συνέχεια γίνονται προσομοιώσεις για διφασική ροή αέρα-νερού γύρω από την αεροτομή S809, την πτέρυγα S809 και το περιστρεφόμενο πτερύγιο Phase IV της NREL. Προσομοιώσεις γίνονται επίσης για διαφορετικές πυκνότητες περιεχόμενης βροχής για τη ροή γύρω από τις αεροτομές σε χαμηλό αριθμό Reynolds. Τα αποτελέσματα της διφασικής ροής αέρα-νερού συγκρίνονται με τα αντίστοιχα της μονοφασικής ροής ώστε να προκύψουν συμπεράσματα για τις επιπτώσεις της βροχής στην αεροδυναμική απόδοση. Γίνεται επίσης υπολογισμός του συντελεστή ισχύος του ανεμοκινητήρα σε συνθήκες μονοφασικής ροής αέρα και διφασικής ροής αέρα-νερού. Σε συνθήκες διφασικής ροής αέρα-νερού παρατηρείται υποβάθμιση της αεροδυναμικής απόδοσης, συγκεκριμένα μείωση της άνωσης με παράλληλη αύξηση της αντίστασης. Δυο είναι οι βασικοί μηχανισμοί που επικρατούν και έχουν ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση αυτή. Στην επιφάνεια της αεροτομής δημιουργείται ανομοιόμορφο φιλμ νερού που αυξάνει την τραχύτητα και το πάχος της αεροτομής. Τα σταγονίδια καθώς προσκρούουν πάνω στο φιλμ νερού δημιουργούν «κρατήρες» αυξάνοντας την τραχύτητα της αεροτομής. Επίσης, τα σωματίδια νερού διασπώνται κατά την πρόσκρουσή τους πάνω στην αεροτομή σε άλλα σταγονίδια μικρότερης διαμέτρου και μειωμένης ταχύτητας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα σταγονίδια αυτά, επαναεπιταχυνόμενα από τη ροή του αέρα να αποσπούν ποσό ενέργειας από το οριακό στρώμα καθιστώντας το πιο ευάλωτο σε αποκόλληση.Στόχος της μελέτης της αεροδυναμικής συμπεριφοράς των πτερυγίων σε διφασική ροή αέρα-νερού είναι η κατασκευή ανεμοκινητήρων υψηλού βαθμού απόδοσης και η παραγωγή φθηνής ενέργειας από την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας.