Kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımı ve had analizi ile kanal profilinin türbin performansına etkilerinin incelenmesi
Ducted wind turbine design and investigation of the effects of duct profile to the design with cfd analysis
Yazar: YİĞİTCAN GÜLSOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Bezier eğrileri = Bezier curves ; Genetik algoritma tekniği = Genetic algorithm technique ; Kanat = Wing ; Kanat elemanları = Wing elements ; Kanat kesitleri = Airfoil sections ; Optimizasyon = Optimization ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Literatürde, rüzgar türbini tasarımına ve rüzgar türbinlerinden elde edilebilecek enerjinin arttırılmasına yönelik birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmaları çoğunlukla tasarıma yönelik olup, kanat geometrilerinin rüzgardan daha fazla enerji çekebilmesini sağlamaya yöneliktir. Bununla birlikte yakın geçmişten günümüze kadar rüzgar türbinin performansını arttırılmasına yönelik daha yenilikçi çalışmalarda mevcuttur. Bu tez çalışmasında da bu amaca yönelik olarak çalışmalar yürütülmüştür. Bu bağlamda küçük rotor çapına sahip bir rüzgar türbini tasarlanması ve tasarlanan rüzgar türbini modelinin kanal içerisine yerleştirilmek yoluyla performansının arttırılması amacıyla incelemeler yürütülmüştür. Bu amaçla ilk olarak kanat geometrisi, belirlenen tasarım koşullarına uygun olarak optimal tasarım parametreleri için kanat elemanı teorisi ve momentum disk teorisinden yararlanılarak elde edilmiştir. Kanat tasarımının elde edilmesinde QBlade yazılımından yararlanılmış ve bu yazılım yardımıyla kaldırma hattı teorisi kullanılarak iki boyutlu analizler ile rüzgar türbini performansına yönelik ilk öngörüler elde edilmiştir. Tasarımı gerçekleştirilen kanat geometrisinin CATIA programı yardımıyla üç boyutlu modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen rotor geometrisi için ANSYS 16.0 analiz programının ICEM modülü kullanılarak ağ yapısı modellenmiş ve ANSYS FLUENT modülü kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler serbest akış rejimi için sabit hacim ve rotor çevresinde dönel akışkan hacmi olarak modellenerek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca analizlerin gerçekleştirileceği akış hacimleri periyodik analiz yapısına uygun olarak oluşturulmuş olup, üç kanatlı olarak tasarlanan rüzgar türbininin bir kanadını içerisine alacak şekilde düzenlenmiştir. Türbülans modeli olarak k-omega STT modülü seçilmiş ve sabit rotor çevresinde dönel akış hacmi oluşturulması metodu kullanılarak sonuçlar elde edilmiştir. Bununla beraber kanat geometrisinin etrafında daha doğru sonuçlar elde edilebilmesi adına ayrı bir dönel akış hacmi tanımlanmış ve bu hacim için O-örgü formunda yapısal ağ modellemesi kullanılmıştır. Rüzgar türbininin performans karakteristiğini gösteren rüzgar hızına bağlı değişen güç üretimi eğrisi ve kanat uç hızına bağlı değişen güç katsayısı verilerine ulaşılmıştır. Elde edilen sonuç verileri ile tasarım aşamasında ilk öngörülerin elde edildiği QBlade iki boyutlu analizlerinin birbirine benzer eğilimde olduğu görülmüştür. Rüzgar türbini performansını karakterize eden güç katsayısı eğrisinin literatürde ki çalışmalarda ulaşılan sonuçlara bakıldığında tutarlı olduğu görülmüştür.
İlerleyen aşamada tezin de esas konusu olan ve ulaşılan rüzgar türbini performansının arttırılması yönelik kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımının elde edilmesine geçilmiştir. Bu doğrultuda tasarım kanal profilinin belirlenmesinde 6 nokta kontrollü Bezier eğrileri teorisi kullanılmış ve bu teorinin düzenlendiği MATLAB kodu yardımıyla kapalı kanal profilleri oluşturulmuştur. Kanal profillerinin elde edildiği MATLAB kodunun içeresine gömülü olarak eklenen DFDC yazılımı ile oluşturulan rasgele kanal profillerinin 2 boyutlu HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. MATLAB programından optimizasyon modülü kullanılarak genetik algoritma çoklu hedef optimizasyonu analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada rüzgar türbini rotor tasarımının elde edilmesinde de belirlenen tasarım parametreleri ve kanat profillerinin aerodinamik özellikleri de analiz girdileri olarak uygulanmış ve optimizasyon hedef parametreleri olarak maksimum güç ile minimum itki getirileri belirlenerek, pareto çözüm setleri elde edilmiştir. Çözüm setlerine, GAO parametrelerinde farklı yaklaşım metotları için, sorunsuz şekilde analizlerin ilerleyebilmesi adına belirlenen kontrol noktalarının sınırları içerisinde profiller elde edilerek ulaşılmıştır. 
Kanal geometrisi ve kanal içerisinde rüzgar türbini tasarım parametrelerinin ayrıntılı olarak incelenebilmesi adına, çözüm seti içerisinden kanal profilleri seçilmiştir. Seçilen kanal profillerinin rüzgar türbini performansına etkileri belirlenen tasarım parametrelerine yönelik hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri gerçekleştirilerek elde edilmiştir. Bu doğrultuda kanal ile kanatlar arasındaki boşluk oranı, kanal içeresinde rotorun yerleştirildiği pozisyon, kanal giriş ve çıkış akış alanları arasındaki oran ve kısmi kanal modelinin kullanılması gibi farklı tasarımlar için analiz sonuçları elde edilmiş ve ulaşılan veriler karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. İncelenen tasarımlardan pareto çözüm seti içerisinde farklı bölgelerden seçilen iki profil için ulaşılan HAD analizi sonuçlarıyla, pareto çözüm setinin elde edilmesinde kullanılan DFDC yazılından elde edilen iki boyutlu analiz sonuçlarının birbirine yakın olduğu söylenebilir. Bununla birlikte incelenen tasarım parametrelerinin sonuç verilere olduğu kadar kanal ve kanat çevresindeki akışa da etki ettikleri ve bu etkiye bağlı olarak rüzgar türbini performansının da değiştiği sonuçlardan görülmektedir.

Abstract:
In the recent researchs, there are many studies to design the wind turbine and to increase the energy that can be generated by wind turbines. These studies are mostly for design purposes and aim at ensuring that the wing geometry can draw more energy from the wind. However, from past to the present days, there are more innovative studies about the ways to improve the performance of the wind turbines and increase the obtained energy output from wind turbines.
 In this thesis study, examinations have been carried out for this purpose. In this context, studies have been carried out to design a wind turbine with a small rotor diameter and to improve the performance of the designed wind turbine model, a duct geometry was encircled around the wind turbine rotor. For this purpose, firstly the wind geometry was designed by using the wing element theory and momentum disc theory for optimal design parameters in accordance with the determined design conditions. In this phase, the wing angle and wing profile width data which allow the identification of the wing geometry were derived from the Betz wing theory and Schmitz wing theory. At the designation of these data, aerodynamic analyzes of the profiles that selected from the NREL airfoil profile families were used in accordance with the design requirements for blade root, blade tip and main blade body profiles. In the acquisition of the wing design, QBlade software was used to obtain the first predictions for the performance of the wind turbine by two dimensional analysis using lifting line theory via QBlade software. Three dimensional modeling of the wing geometry, where geometrical coordinates of geometry was obtained from QBlade, was  created by CATIA modelling program. Further the mesh grid structure was modeled using the ICEM module of the ANSYS 16.0 program for the created analysis domains.
Moreover computational fluid dynamics (CFD) analyzes were performed using ANSYS FLUENT module. Analyzes were carried out as fixed free flow regime volume and rotational volume around the frozen rotor geometry. In addition, flow volumes to be analyzed were constructed in accordance with the periodic analysis structure and were arranged to take one wing geometry within the analysis domains. Furthermore k-omega STT model was selected as the turbulence model and the results were obtained by using the method of creating the rotational flow volume around the stationary frozen rotor. Wind velocity and rotational domain angular velocity values were used as a analysis initial inputs. In addition to these, in order to obtain more accurate results around the wing geometry, a separate rotational flow volume is defined and the structural mesh model in O-grid form was used for this flow volume. Also, boundary layer quality of mesh structure around wing was espacially paid attention to obtain more accurate results.	  
As investigated results, the power generation curve and power coefficent curve depending on the blade tip speed ratio, which indicates the performance characteristics.of the wind turbine, was obtained with respect to changing wind velocity. It has been seen that the results obtained from QBlade software as a first prediction in the design phase and CFD results that have been acquired, show similar trends if comparedto each other. The power coefficient curve characterizing wind turbine performance has been found to be consistent with the results shared in reference literature studies. 
In the course of the proceeding, the thesis' main focus on the design of the wind turbine within the duct to improve the performance of the designed wind turbine. In this direction, 6 point controlled Bezier curves theory was used to determine the design duct profile and closed duct profiles were created with the help of MATLAB code where this theory was embedded. Two dimentional CFD anaysis of randomly created duct profiles have been carried out by DFDC software which is also embedded in the MATLAB code. Furthermore, genetic algorithm multi-objective optimization analysis were performed by using optimization module from Matlab program. In this stage, the design parameters determined at the time of obtaining the wind turbine rotor geometry and the aerodynamic characteristics of the blade profiles were also applied as the analysis inputs and the pareto solution sets were obtained by assigning the maximum power and minimum thrust as optimization target parameters. The solution sets were obtained by generating profiles within the boundaries of the specified control points in order to allow the analysis to proceed smoothly for different approach methods in GAO parameters. In addition, heroustic, random and intermediate crossover approach methods were used for obtainin GAO analysis results. In the optimization, analysis population selected as default value of 200 and generation selected as 50 to generate pareto optimal solution sets.
In order to examine the duct geometry and the effects of design parameters for a ducted wind turbine in detail, duct profiles were selected from the solution set which was obtained by intermediate crossover approach method. The effects of selected duct profiles on the performance of the wind turbine were obtained by performing analysis of the computational fluid dynamics for the determined design parameters. For CFD analysis of ducted wind turbine models, again k-omega SST turbulent model was used with frozen rotor model. Furthermore, the analysis results have been obtained for different designs such as the ratio between the duct and the wings, the position of the rotor within the duct geometry, the ratio between the inlet and outlet flow areas, and the use of the partial channel model, and data obtained have been compared comparatively. It can be concluded that the results of CFD analysis for two profiles that selected from different regions within the pareto optimal solution set and results that have been given by DFDC software are close to each other for optimal design conditions. However, it is seen that the design parameters examined also affect the flow around the duct and wing as much as the result, and the performance of the wind turbine also changes depending on this effect. 
As a supporting result, the analysis of the ratio between the duct geometry and the wings showed very close results for the power output data obtained from the wind turbine. On the contrary, when the results were examined, it has been observed that the increase of the clearence ratio leads to the formation of the flow separation toward the duct wall through outlet and the formation of more wider vortex field at the duct outlet. A similar situation has been observed in the analysis of the position of the rotor geometry in the duct geometry. In addition to these cases, there are results with evident change in the power output data obtained from the wind turbine and the change on the flow field around the duct geometry. 
Furthermore mesh quality check analysis and FLUENT simulation method analysis also performed to obtain detailed data about accuracy of the analysis. More extensive analysis studies on design parameters have been investigated in this thesis.