Rüzgâr türbini kanatlarının hesaplamalı aeroakustik analizi
Computational aeroacoustics analysis of wind turbine blades
Yazar: HAYDAR İZZETTİN KEPEKÇİ
Danışman: PROF. DR. HASAN RIZA GÜVEN ; DOÇ. DR. BAHA ZAFER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Aeroakustik, zamana bağlı akış alanının katı bir cisimle etkileşimi sonucu oluşan gürültüyü inceleyen araştırma alanıdır. Şehirleşmenin artmasıyla birlikte ses kirliliği toplum için önemli bir tehlike haline gelmektedir. Kullanım aşamasına geçen insan üretimi araçların çalışması sırasında iyi tasarım, verimlilik ve konforun yanında çevreye yayılan gürültünün olumsuz etkileri de göz önünde bulundurulması gereken başlıklar haline gelmiştir. 

Yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilginin artmasıyla, rüzgâr enerjisi de giderek yaygınlaşır hale gelmiştir. Bu durum rüzgâr türbinlerinin sayısını arttırırken, ilgili alandaki çalışmaların ve araştırmaların da beraberinde derinleşmesine sebebiyet vermiştir. Rüzgârdan üretilen enerji miktarı artarken, depolanma ve taşınma sırasında oluşan kayıpların önüne geçebilmek için; rüzgâr türbinlerinin şehir içlerinde konutlara yakın olacak kurulmaya başlanmıştır. Tam da bu noktada, rüzgâr türbinlerinden kaynaklanan gürültü konusu ciddi olarak tartışılmaya başlanmış ve gündeme gelmiştir. Amerikan Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) ve Hollanda'da birçok enstitü bu alanda çalışmalar yapmaktadır. 

Bu çalışmanın amacı, iki boyutlu ve üç boyutlu kanat kesitlerinin akış ve gürültü analizlerini yaparak, rüzgâr türbinlerindeki gürültüye etki eden faktörlerin değerlendirilmesi ve farklı parametrelerin karşılaştırılması suretiyle incelenmesidir. Bu tez çalışmasında sayısal analizler Hesaplama Akışkanlar Dinamiği (HAD) çözücüleri ile gerçekleştirilmiştir. Türbülans modellemesinde iki denklemli modeller ile Büyük Girdap Simülasyonu (LES) kapalı zaman ayrıklaştırması ile uyumlu olarak kullanılmıştır. Büyük Girdap Simülasyonu türbülans modellemelerinde akademik olarak en sık kullanılan ve deneysel verilere en yakın modellemeyi başaran simülasyon modelidir. Akustik hesaplamalarda ise Ffowcs-Williams ve Hawking (FW-H) Akustik Analojisi kullanılmıştır. FW-H akustik yaklaşımı ise akışkanın katı cisim ile etkileşiminden oluşan sesin tespitinde kullanılan bir matematiksel modellemedir. 

Ayrıca, üç boyutlu NREL Faz VI rüzgâr türbini kullanılarak, farklı uç geometrilerine sahip kanatların gürültüye etkileri araştırılmıştır. Analiz sonuçları literatürde bulunan ilgili türbin kanadının %12 ölçekli modelinin aeroakustik ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda, düz kanat, pah kanat ve yuvarlatılmış kanat olarak üç farklı uç geometrisi şekli kullanılarak yapılan analizlerin sonuçları değerlendirilmiştir. Yuvarlatılmış kanat profilinin, diğer uç bölge geometrilerine nazaran daha düşük seviyede aeroakustik gürültü oluşturduğu görülmüştür.

Abstract:
Aeroacoustic is a research area that examines the noise generated as a result of the interaction of the time-dependent flow field with a solid body. With the increase in urbanization, noise pollution becomes an important danger for society. In addition to good design, efficiency, and comfort, the negative effects of the noise emanating from the environment have become topics that should be taken into consideration during the operation of human-made vehicles that have entered the usage phase.

With the increasing interest in renewable energy sources, wind energy has become increasingly common. While this situation has increased the number of wind turbines, it has led to the deepening of studies and researches in the related field. In order to prevent losses during storage and transportation while the amount of energy generated from wind increases; wind turbines have been started to be installed in inner cities close to residences. At this point, the issue of noise arising from wind turbines began to be seriously discussed and came to the fore. The American National Renewable Energy Laboratory (NREL) and many institutes in the Netherlands are working in this field.

The aim of this study is to evaluate the factors affecting noise in wind turbines and to compare different parameters by making flow and noise analysis of two-dimensional and three-dimensional blade sections. In this thesis, numerical analyzes were performed with Computational Fluid Dynamics (HAD) solvers. In turbulence modeling, two-equation models and Large Eddy Simulation (LES) were used in accordance with closed time discretization. The Large Eddy Simulation is the most frequently used academic model in turbulence modeling and is the closest model to experimental data. Ffowcs-Williams and Hawking (FW-H) Acoustic Analogy was used in acoustic calculations. The FW-H acoustic approach, on the other hand, is mathematical modeling used in the detection of sound that is formed by the interaction of the fluid with a solid body.

In addition, the effects of blades with different tip geometries on noise were investigated using a three-dimensional NREL Phase VI wind turbine. The analysis results were compared with the aeroacoustic measurements of the 12% scale model of the relevant turbine blade found in the literature. In this context, the results of the analyzes performed using three different tip geometry shapes as the flat blade, chamfer blade, and radius blade were evaluated. It has been observed that the radius airfoil creates a lower level of aeroacoustic noise compared to other tip zone geometries.