Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση ροϊκής συμπεριφοράς στροφείων ανεμοκινητήρων σε πολυφασικές ροές
Authors: Δουβή Δήμητρα 
Published: November 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι πρωτίστως η υπολογιστική διερεύνηση της ροϊκής συμπεριφοράς στροφείων ανεμοκινητήρων σε πολυφασικές ροές, όπως είναι η διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου διαφόρων περιεκτικοτήτων και η τριφασική ροή αέρα–νερού–χαλαζιού (χαλαζόπτωση), και έπειτα η πειραματική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς των αεροτομών τύπου NACA 0012 και NREL S809 σε τρεις περιπτώσεις διφασικής ροής αέρα–σωματιδίων άμμου, με στόχο την εκτίμηση του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος ενός τριπτέρυγου ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα.Η πρωτοτυπία της διατριβής αφορά στην μελέτη της αεροδυναμικής συμπεριφοράς αεροτομών και στροφείου ανεμοκινητήρα σε διάφορες ταχύτητες ροής και σε πολυφασικές ροές. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που λήφθηκαν για τη λειτουργία των αεροτομών και του ανεμοκινητήρα σε μονοφασική ροή αέρα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα σε πολυφασικές ροές, ώστε να βρεθεί η επίδραση που έχουν τα σωματίδια των δευτερευουσών φάσεων στην αεροδυναμική απόδοση των αεροτομών, και στον συντελεστή ισχύος και την παραγόμενη ισχύ ανεμοκινητήρων.Αρχικά μελετάται υπολογιστικά η αεροδυναμική συμπεριφορά των αεροτομών τύπου NACA 0012 και NREL S809 σε μονοφασική ροή αέρα με τη βοήθεια εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Χρησιμοποιούνται πέντε διαφορετικά μοντέλα τύρβης για πέντε διαφορετικούς αριθμούς Reynolds, οι οποίοι αντιστοιχούν σε ταχύτητες ροής οι τιμές των οποίων κυμαίνονται από 7.30 m/s έως 43.82 m/s. Η ροή γύρω από τις αεροτομές προσομοιώνεται σε κάθε περίπτωση για γωνίες προσβολής 0˚, ±3˚, ±5˚, ±9˚, 12˚, 14˚και 16˚, και τα υπολογιστικά αποτελέσματα για τους αεροδυναμικούς συντελεστές των αεροτομών συγκρίνονται στην πλειονότητά τους με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας, ώστε να καταστεί έγκυρος ο τρόπος επίλυσης, και εντοπίζεται το καταλληλότερο μοντέλο τύρβης σε κάθε ταχύτητα ροής. Από την παρούσα υπολογιστική μελέτη, εκτός από τους αεροδυναμικούς συντελεστές άνωσης και αντίστασης των αεροτομών και τις γραφικές τους απεικονίσεις, παρουσιάζονται κατανομές της στατικής πίεσης γύρω από τις αεροτομές για επιλεγμένες γωνίες προσβολής, στις οποίες παρατηρείται η συμπεριφορά του σημείου ανακοπής.Ακολούθως, για τις ίδιες ταχύτητες ροής διερευνάται υπολογιστικά η αεροδυναμική συμπεριφορά των αεροτομών σε διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου με δύο μοντέλα τύρβης, τα οποία συνεργάζονται καλώς με το μοντέλο διακριτής φάσης (Discrete Phase Model – DPM). Εξετάζονται τρεις διαφορετικές περιεκτικότητες σωματιδίων άμμου στον αέρα, και στη συνέχεια, τα αποτελέσματα που αφορούν την κάθε περίπτωση διφασικής ροής συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της μονοφασικής ροής αέρα, ώστε να βρεθεί ο αντίκτυπος που έχει η ύπαρξη στερεών σωματιδίων άμμου στην αεροδυναμική απόδοση των σωμάτων. Πιο συγκεκριμένα, για κάθε γωνία προσβολής προκύπτουν οι αντίστοιχοι συντελεστές άνωσης και αντίστασης, από τους οποίους εκτιμάται ο συντελεστής ισχύος τριπτέρυγου ανεμοκινητήρα οριζοντίου άξονα. Επίσης, παρουσιάζονται οι κατανομές της συγκέντρωσης σωματιδίων άμμου γύρω από τις αεροτομές για όλες τις περιεκτικότητες σωματιδίων που εξετάζονται και οι κατανομές της στατικής πίεσης γύρω από τις αεροτομές, οι οποίες συγκρίνονται με τις αντίστοιχες της ροής αέρα. Έπειτα, μελετάται η τριφασική ροή αέρα–νερού–χαλαζιού γύρω από τις αεροτομές με ένα μοντέλο τύρβης και για τρεις ταχύτητες αέρα, και προκύπτουν οι υπολογιστικές τιμές του συντελεστή άνωσης και του συντελεστή αντίστασης σε συνθήκες χαλαζόπτωσης, με τη βοήθεια των οποίων εκτιμάται ο συντελεστής ισχύος ανεμοκινητήρα. Επιπλέον, απεικονίζονται οι κατανομές της στατικής πίεσης γύρω από τις αεροτομές σε συνθήκες χαλαζόπτωσης, η συγκέντρωση σταγονιδίων νερού και χαλαζόκοκκων γύρω από τις αεροτομές, και μελετάται η συμπεριφορά και το πάχος του υδάτινου υμενίου (φιλμ νερού) στις επιφάνειες των αεροτομών.Στη συνέχεια, επιλύεται το ροϊκό πεδίο γύρω από στροφείο ανεμοκινητήρα με τρία βελτιστοποιημένα πτερύγια σε μονοφασική ροή αέρα, διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου και τριφασική ροή αέρα–νερού–χαλαζιού. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιούνται για διάφορες ταχύτητες αέρα με χρήση του μοντέλου τύρβης SST k–ω. Υπολογίζεται η ισχύς του ανεμοκινητήρα σε μονοφασική, διφασική και τριφασική ροή και τα αποτελέσματα συγκρίνονται μεταξύ τους. Σε κάθε περίπτωση ροής μελετάται η κατανομή της ταχύτητας σε διάφορες περιοχές κοντά στο στροφείο και η κατανομή της στατικής πίεσης πάνω στο πτερύγιο. Όσον αφορά τη διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου, συγκρίνονται τα αποτελέσματα με τα αντίστοιχα της μονοφασικής ροής, και ακόμη μελετάται η συγκέντρωση της άμμου γύρω από το στροφείο, ο ρυθμός επικάθησής της πάνω στο πτερύγιο, και ο ρυθμός με τον οποίο υπόκεινται σε διάβρωση διάφορες περιοχές του πτερυγίου. Από την υπολογιστική διερεύνηση της τριφασικής ροής αέρα–νερού–χαλαζιού, προκύπτουν επιπλέον οι κατανομές της συγκέντρωσης χαλαζόκοκκων και σταγονιδίων νερού πάνω στο πτερύγιο, εντοπίζονται οι περιοχές στις οποίες δημιουργείται φιλμ νερού, μελετάται το ύψος του, εξετάζεται ο ρυθμός προσκόλλησης και επικάθησης των σωματιδίων πάνω στο πτερύγιο, καθώς και ο ρυθμός με τον οποίο υπόκειται το πτερύγιο σε διάβρωση.Σχετικά με την πειραματική διερεύνηση της αεροδυναμικής συμπεριφορά αεροτομών σε διφασική ροή αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου, περιγράφεται η διαμόρφωση που έγινε στην αεροσήραγγα για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, και παρουσιάζονται γραφικά τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τους αεροδυναμικούς συντελεστές.Από την παρούσα μελέτη προκύπτει ότι η επίπτωση των πολυφασικών ροών, και πιο συγκεκριμένα της διφασικής ροής αέρα–στερεών σωματιδίων άμμου και της τριφασικής ροής αέρα–νερού–χαλαζιού, στη ροϊκή συμπεριφορά στροφείων ανεμοκινητήρα είναι μία πολύπλοκη διαδικασία, η οποία μπορεί να προσομοιωθεί με τη βοήθεια του εμπορικού κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Σε πολυφασικές ροές και με την προσθήκη σωματιδίων στον αέρα η αεροδυναμική απόδοση ενός ανεμοκινητήρα μειώνεται λόγω της πρόσκρουσης ή της διάσπασης σωματιδίων πάνω στα πτερύγια, φαινόμενα που οδηγούν στην αύξηση του βάρους και της τραχύτητας των πτερυγίων.