Sentetik jet uygulamasının rüzgar türbini yoğunlaştırıcı performansına etkisinin incelenmesi
Analysis of the effect of synthetic jet application on wind turbine concentrator performance
Yazar: TEOMAN OKTAY KUTLUCA
Danışman: PROF. DR. TAHİR YAVUZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Son yıllarda, enerji trendlerinde bir değişim gözlemlenmektedir. Enerji üretiminin odak noktası, geleneksel fosil ve nükleer bazlı enerji üretiminden daha temiz ve daha sürdürülebilir yenilenebilir kaynaklara doğru kaymaktadır. Temiz elektrik üretimi için potansiyel kaynaklar arasında rüzgar enerjisinin, önemli ölçüde daha yüksek çıktıları ve daha düşük maliyetleri nedeniyle umut verici bir geleceğe sahip olduğuna inanılmaktadır. Gelecekteki muazzam büyüme potansiyeli nedeniyle rüzgar enerjisi sektörü, büyük rüzgar potansiyeline sahip bölgelerden maksimum verim elde edebilecek türbinler geliştirmeye yönelmektedir. Ayrıca rüzgar enerjisi sektörü düşük rüzgar potansiyeline sahip bölgelerde ise özel rüzgar türbinlerini tasarlamaktadır. Bu çalışmada rüzgar türbinleri için türbin performansını arttırmak ve düşük rüzgar hızlarında enerji üretimi imkanı sağlamak amacı ile literatürde daha önce kullanılmamış (rüzgar türbini-yoğunlaştırıcı-sentetik jet) kombinasyonu ile yoğunlaştırıcı tasarımı amaçlanmaktadır. Bu çalışmada herhangi bir ekstra eleman kullanmadan, yoğunlaştırıcı çıkışındaki akış alanını sentetik jet uygulaması ile kontrol ederek, yoğunlaştırıcı performansının iyileştirmek hedeflenmektedir. Böylece sentetik jet ile kombine sistemin (türbin rotoru+yoğunlaştırıcı+sentetik jet) optimizasyonu yapılarak maksimum performans için optimum geometrik, akış şartları optimize edilip doğrulama çalışmaları ile birlikte iki boyutlu (2D) ve üç boyutlu (3D) hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri yapılmaktadır. Sentetik jet kullanılan kontrollü durum için başlangıç parametreleri ile yapılan analizlerde durma (stall) başlangıç hücum açısı 16º'den 19º'ye çıkartılarak akış ayrılmasının 3º geciktirildiği görülmektedir. Mevcut çalışmada kontrolsüz duruma göre yaklaşık % 14,9 kaldırma katsayısı (CL) artışı elde edilmektedir. Optimum yoğunlaştırıcı geometrisinde, türbini temsil eden disk üzerindeki hız değeri serbest akış hızına göre ortalama olarak 1.33 kat artırılmıştır. Analizler için periyodik ve tam geometri, akış alanı ve ağ yapısı oluşturulmakta ve çoklu referans çerveve modeli (MRF) ve kayan ağ modeli (SMM) kullanılarak değişik uç hız oranlarında (λ = 3,4,5,6,7,8) farklı devir sayıları için tork değerleri elde edilmekte ve güç katsayısı hesaplanmaktadır. SMM modeli zamana bağlı (transient) olarak çözülmekte ve sentetik jet hızı için bir kullanıcı tanımlı fonksiyon (UDF) tanımlanmaktadır. Özellikle güç katsayısının (Cp) maksimum olduğu λ = 7'deki sonuçlara göre, Periyodik geometri MRF metoduyla sentetik jetli yoğunlaştırıcılı türbin ile yapılan analizlerde yalın türbine göre 3.1 kat ve flaplı-yoğunlaştırıcılı türbine göre ise 1.27 kat güç (Cp ) artışı elde edilmektedir. Tam geometri MRF metoduyla sentetik jetli yoğunlaştırıcılı türbin ile yapılan analizlerde yalın türbine göre 3.1 kat, tam geometri SMM metoduyla yapılan analizlerde ise yalın türbine göre 3.125 kat ve flaplı-yoğunlaştırıcılı türbine göre ise 1.275 kat güç (Cp ) artışı elde edilmektedir.

Abstract:
In recent years, there has been a shift in energy trends. The focus of energy production is moving towards cleaner and more sustainable renewable sources, away from traditional fossil and nuclear-based energy production. Wind energy is believed to have a promising future for clean electricity production, thanks to significantly higher outputs and lower costs. Due to the immense growth potential in the future, the wind energy sector is working on developing turbines that can maximize efficiency in regions with substantial wind resources. Additionally, in areas with low wind potential, the wind energy sector is designing specialized wind turbines. This study aims to design a concentrator using a previously unused combination in the literature (wind turbine-concentrator-synthetic jet) to enhance turbine performance and enable energy production at low wind speeds. The goal in concentrator design is to increase wind speed by reducing pressure at the ducted outlet. In this study, the focus is on improving concentrator performance by controlling the flow field at the concentrator outlet using synthetic jet application, without the use of any additional elements. Thus, by optimizing the combined system (turbine rotor + concentrator + synthetic jet) with the synthetic jet, the optimum geometric and flow conditions were optimized for maximum performance and two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) computational fluid dynamics (CFD) flow analyzes were carried out along with verification studies. In the analysis made with the initial parameters for the controlled situation where synthetic jet was used, it was seen that the initial stall angle of attack increased from 16º to 19º, and the flow separation was delayed by 3º. In the current study, an approximately 14.9% increase in lift coefficient (CL) was achieved compared to the uncontrolled condition. In the optimum concentrator geometry, the velocity value on the disk representing the turbine increased on average 1.33 times compared to the free flow velocity. Periodic and full geometries, flow field, and network structure were created for analyses, and torque values were obtained using the multiple reference frame model (MRF) method and sliding mesh model (SMM) at different tip speed ratios (λ = 3, 4, 5, 6, 7, 8) for various rotational speeds. The power coefficient was calculated as well. The SMM model was solved transiently (time-dependent), and a User-Defined Function (UDF) was defined for synthetic jet velocity. Particularly, based on the results obtained at λ = 7, where the power coefficient (Cp) was maximum, in the analyses conducted with the periodic geometry and the MRF method for a synthetic jet-driven concentrator turbine, a 3.1-times increase in power (Cp) was achieved compared to the bare turbine, and a 1.27-times increase compared to the flapped-concentrator turbine. In the analyses conducted with the full geometry and the MRF method for a synthetic jet-driven concentrator turbine, a 3.1-times increase in power was achieved compared to the bare turbine. In the analyses conducted with the full geometry and the SMM method, a 3.125-times increase in power was achieved compared to the bare turbine, and a 1.275-times increase compared to the flapped- concentrator turbine. concentrator