Rüzgar türbin kanadı üzerindeki aerodinamik akışa yüzey pürüzlülüğü etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of surface roughness on aerodynamic flow over a wind turbine blade
Yazar: ONUR ERKAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSA ÖZKAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında rüzgar türbini kanat profillerinden olan NACA 63-415 kanat profili üzerindeki akış iki boyutlu olarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)
yöntemi kullanılarak modellenmiştir. İki boyutlu analizlerden yola çıkarak türbin performansının pürüzsüz ve pürüzlü kanat koşullarında incelenmesi bu çalışmanın ana amacını oluşturmuştur. Bu motivasyonla öncelikle pürüzsüz kanat yüzeyi için analizler yapılmış ve optimum hücum açısı belirlenmiştir. Pürüzsüz kanat üzerindeki akışın modellenmesi 10^5 ile 3*10^6 arasında 6 farklı Reynolds sayısında ve 0^o-20^o hücum açısı aralığında yapılmıştır. Simülasyonlarda türbülanslı akış için, Spalart-Allmaras ve SST k-omega türbülans modelleri kullanılmıştır. Pürüzsüz kanat için maksimum kaldırma/sürükleme oranının meydana geldiği optimum hücum açısı aralığı 6^o-8^o olarak belirlenmiştir. Pürüzlülüğün kanat aerodinamik performansına etkisini inceleyebilmek için optimum hücum açısı aralığında 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 ve 0.5 mm 5 farklı pürüzlülük yüksekliğinde çalışılmıştır. Pürüzlülük araştırmalarında TSST türbülans modeli kullanılmıştır. Optimum hücum açısını bulurken çalışılan Reynolds sayılarına ek olarak pürüzlülük incelemelerinde 2.5*10^5'te de analizler gerçekleştirilmiştir. Numerik modellemenin sonucunda $10^5$ Reynolds sayısında bu çalışmadaki tüm pürüzlülük yüksekliklerinin kanat aerodinamik performansını iyileştirdiği görülmüştür. Benzer şekilde 2.5*10^5 Reynolds sayısında da sadece 0.1 mm pürüzlülük yüksekliği kanat aerodinamik performansını olumlu etkilemiş, diğer pürüzlülük yüksekliklerinde ise negatif etki görülmüştür. Reynolds sayısı 5*10^5 ve üzerinde olduğunda ise bu tez kapsamında incelenen tüm pürüzlülük yüksekliklerinde kanat performansı üzerinde olumsuz etkiler meydana getirmiştir. Rüzgar türbinin performansına pürüzlülüğün etkisini görebilmek adına iki boyutlu elde edilen sonuçlar Kanat Elemanı Momentum Teorisi (KEMT) kullanılarak üç boyutlu hale getirilmiş ve türbin güç katsayısı hesaplanmıştır. Yapılan hesaplar doğrultusunda 10^5 Reynolds sayısında güç katsayısında % 11'e varan artış görülürken, Reynolds sayısı arttıkça pürüzlülüğün türbin güç katsayısında %32'ye varan azalma ortaya çıkarabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, two dimensional incompressible flow over the NACA 63-415 airfoil was modelled by Computational Fluid Dynamics (CFD) method. It was aimed to find out how smooth and rough surfaces affect wind turbine performance. Numerical simulations of smooth surface condition were carried out for 6 different Reynolds numbers 10^5 <= Re <= 3*10^6 and for angles of attack 0^o <= alpha <= 20^o. Spalart-Allmaras and SST k-omega turbulence models were used for solving turbulent flow. It is found out that the optimum angle of attack is between 6^o and 8^o. Then, the rough airfoil surface simulations were performed with roughness heights between 0.1 and 0.5 mm for the optimum angles of attack. The transition SST (TSST) turbulence model was used for the rough surface simulations. The analyses of rough conditions were carried out for 7 different Reynolds numbers by adding 2.5*10^5. Results show that surface roughness can improve aerodynamic performance of the airfoil for Re=10^5. Similarly,  0.1 mm roughness height enhanced aerodynamic performance for Re=2.5*10^5. However, airfoil performance decreased with incerasing surface roughness height for Re=2.5*10^5. All surface roughness heights which were studied in this thesis negatively affected airfoil performance for the Reynolds number grater than 5*10^5. Blade Element Momentum (BEM) Theory was used to determine wind turbine power coefficient under the smooth and rough surface conditions. Results showed that the wind turbine power coefficient increased approximately 11%  with increasing roughness height for Re=10^5. Otherwise, the power coefficient decreased about 32% depending on the roughness height for 5*10^5 <= Re <= 3*10^6.