Slatlı kanat profilinin etrafındaki düşük reynolds sayılı hava ve su akışlarının incelenmesi ve aerodinamik performans analizleri
Investigation of low reynolds number air and water flow over blade profile with slat and aerodynamic performance analysis
Yazar: ÇAĞRI CENGİZ
Danışman: PROF. DR. TAHİR YAVUZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Mühendisliği (Enerji ve Güç Sistemleri) Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Aerodinamik katsayılar = Aerodynamic coefficients ; Reynolds sayısı = Reynolds number ; Türbin = Turbine

Özet:
Rüzgar türbinlerindeki gelişmeler ve karşılaşılan zorluklardan dolayı son yıllardaki aerodinamik araştırmalar, düşük Re sayılı akımların kontrolü ve yüksek taşıma elde edilmesi gibi konular üzerinde yoğunlaşmaktadır. dünyada geleneksel olarak enerji üreten türbinlerde standart kanat profilleri kullanılmaktadır. Bu kanatların verdiği maksimum kaldırma kuvvet katsayısı 1.6 civarındadır. Bu tip kanatlı türbinlerde enerji üretebilmek için gerekli olan minimum rüzgar hızı 7 m/s` dir. Bu tez çalışmasında, bu güncel konularda sayısal incelemeler yapılmıştır ve yüksek performans verebilecek rüzgar türbini kanat profili ortaya koymak ve ortaya konulan bu profil kullanılarak rüzgar ve hidrokinetik enerjiden elektrik enerjisi üretebilmektir. Sayısal olarak çalışmalara başlamadan önce, kanat profili olarak kullanılacak olan NACA 2415 ve buna bağlanması planlanan slat olarak NACA 22 profili belirlendi. İlk önce boyutsal analiz yapılarak zaman ve bütçe açısından işimize yarayacak olan boyutsal analiz yapıldı ve boyutsal parametreler belirlendi. Daha sonra, yapılacak olan sayısal çalışmalarda hücre sayısından bağımsız olarak hesaplamalarımızı yapma imkanı sağlamak için optimum ağ sayısı hesaplandı. Doğru sonucu elde edebilmek için GAMBITTM programında 55000 hücreye sahip ağ yapısı kullanıldı. Hava ve su ortamında, slat ve kanat arası farklı, farklı hücum ve slat açılarında ve farklı Re sayılarında FLUENTTM programıyla nümerik sonuçlar elde edilmiştir. Bu sayısal sonuçlar, aynı koşullar altında incelenen NACA2415 slatsız kanat profili sonuçları karsılaştırıldı. Daha sonra Slatlı ve slatsız Naca 2415 kanat profilini belirlenmiş olan akış koşullarında, hava akışkanında 1x10^5 Re ve su akışkanında 2,53x10^5 Re sayılarında ve değişik hücum açılarına bağlı olarak CL ve CD katsayı değişimleri irdelendi ve literatürdeki yapılan deneysel çalışmalarla karşılaştırılarak değerlerin yakın oluğunu görerek doğruluğunu saptandı. Daha sonra maksimum CL' nin ve CL/CD oranının olduğu hücum açılarında slatlı ve slatsız kanat profillerinin basınç dağılımları, hız dağılımları,akım çizgileri, türbülans şiddetleri ve vorteks kopma frekansları belirlendi. Elde edilen optimum kanadın, kanat elemanı momentum teorisi kullanılarak, uç hız oranıyla değişen burulma açıları elde edildi. Hava ortamında, kanatlar arası h/c1=0.1.65 konumundayken 1x10^5 Re sayısında maksimum CL 27 hücum açısında 2.46 olarak elde edildi. Fakat kanattan alınacak maksimum güç katsayısı için önemli olan CL/CD oranıdır ve kanat yapısı da buna göre dizayn edilir. Bu kanat yapısında maksimum CL/CD oranı, h/c1=0.165 konumundayken 1x10^5 Re sayısında ve 12 hücum açısında elde edildiği için optimum hücum açısı 12 olarak seçildi. Slatsız NACA2415 kanat profilinde maksimum kaldırma kuvveti 6 hücum açısında 1.02 olarak elde edilmiştir. Su ortamında, kanatlar arası h/c1=165 konumundayken 2,53x10^5 Re sayısında maksimum CL 33 hücum açısında 2.49 olarak elde edildi, fakat maksimum CL/CD oranı, h/c1=0.165 konumundayken 2,53x10^5 Re sayısında ve 18 hücum açısında elde edildiği için optimum hücum açısı olarak 18 seçildi. Slatsız NACA2415 kanat profilinde maksimum kaldırma kuvveti 18 hücum açısında 1.35 olarak elde edildi. Hesaplamalar sonucunda, hem hava hem de suda kullanılan slatlı kanat profilinin, NACA2415 kanat profiline göre aerodinamik performansının daha yüksek olduğu görüldü.

Abstract:
As a result of the developments and the difficulties that has been faced on wind turbines, the aerodynamic researches in recent years concantrates on low Re number flow contol and high lift production. As traditionally, in the world, standart turbine airfoils are used for generating energy. Provided that the maximum lift coefficient is around 1.6. By using these turbines airfoil, minimum required wind speed is 7 m/s for generating energy. In this thesis, numerical investigations related with these subjects are presented and reveal that a wind turbine blade profile which can provide high performance and produce electric energy from hydrokinetic energy with use this profile. Before starting numerical studies, NACA 2415 that is going to be used as airfoil profile and the NACA 22 that is planned to be connected to this as a slate profile are determined. Firstly, in terms of time and budget,dimensional analysis was made that benefits our task and determined our dimensional parameters. Later, optimum number of network is calculated in the numerical studies which are going to be studied to make calculations regardless of the number of cells. Fine mesh is used with 55000 cells in GAMBITTM program to get the most correct result. In numerical solutions derived with FLUENTTM program at different distances between slat and airfoil, different angles of attack and angle of slats and different Re numbers In air an water conditions. NACA2415 without slat blade profile?s without slat,numerical solutions were compared with this numerical solutions which examined under the same conditions. Later on, with and without slat Naca 2415 wing profile that is set in flow circumstances, the changes in 1x10^5 Re number in water flow and 2,53x10^5 Re number in water flow and Cl-Cd factor in different attack angels are investigated. They are compared with the experimental studies in the literature to be sure about the accuracy of proximity of the rates. , with and without slat wing profile?s pressure contours, pressure coefficient, distribution, velocity contours, steam lines, turbulence intensity and frequency of vortex break are identified in attack angels that includes max. CL and CL/CD rates. In a result of all numerical evaluations, wing?s attack and slate angels that had to be done in water and air conditions are determined. Obtained the optimum blade?s twist angle, which is changing with tip speed ratio, with used blade element momentum theory. In air flow, while the distance between the blades h/c1=0.165 and 1x10^5 Re number, the maximum lift coefficient as obtained 2.46 at 27 attack angle. But, CL/CD ratio is more important to provide maximum power coefficient and blade form is designed according to this ratio. The optimum attack angle was chosen 12. Because, the maximum CL/CD ratio was obtained at this attack angle while the distance between the blades h/c1=0.165 and 1x10^5 Re number. For NACA2415 without slat blade profile, the maximum lift coefficient as obtained 1.02 at 12 attack angle. In water flow, while the distance between the blades h/c1=0.165 and 2.53x10^5 Re number, the maximum lift coefficient as obtained 2.49 at 33 attack angle. But, the optimum attack angle was chosen 10. Because, the maximum CL/CD ratio was obtained at this attack angle while the distance between the blades h/c1=0.165 and 2,53x10^5 Re number. For NACA2415 without blade profile, the maximum lift coefficient as obtained 1.35 at 18 attack angle. As a result of calculations, blade profile?s with slat aerodynamic performance was found to be higher, which is used in air and water flows, according to NACA2415 without blade profile.