Rüzgar türbini kanatları üzerinde oluşan sınır tabaka akışının aktif yöntemler ile kontrolü
Control of boundary layer flow on wind turbine blades by active methods
Yazar: GURBET ÇANKAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSA ÖZKAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, sınır tabaka akışı aktif kontrol yöntemlerinden biri olan, sınır tabakadan kanat içerisine hava emilmesi prensibine dayanan emme tekniği kullanılarak, bir rüzgar türbini kanadının aerodinamik performansının arttırılması hedeflenmiştir. Emme işlemi daimi bir jet vasıtasıyla gerçekleştirilmiş, kanat modeli olarak rüzgar türbini uygulamalarında yaygın olarak kullanılan S809 kanat profili tercih edilmiştir. Tez çalışmasında iki ayrı numerik çalışma yapılmış ve birinci numerik çalışmanın parametreleri olarak üç ayrı jet konumu (Ljet=0,1c, 0,26c, 0,36c) ve üç ayrı jet hızı oranı (Rjet=0,1, 0,3, 0,5) seçilmiştir. İkinci numerik çalışmanın parametreleri olarak dört ayrı hücum açısı (α=8°, 10°, 12°, 14,24°), dokuz ayrı jet konumu (Ljet=0,1c, 0,2c, 0,3c, 0,45c, 0,5c, 0,54c, 0,55c, 0,72c, 0,945c) ve üç ayrı jet hızı oranı (Rjet=0,1, 0,2, 0,3) seçilmiştir. Her iki numerik çalışma için emme jeti genişliği sabit olup veter uzunluğunun %2,5'i kadardır ve emme jeti açısı (θjet) bölgesel jet yüzeyine 90° olacak şekilde ayarlanmıştır. İki boyutlu, sıkıştırılamaz, sürekli, türbülanslı ve viskoz akış için sayısal analiz; birinci numerik çalışma için α=15° hücum açısında ve Re=106'da, ikinci numerik çalışma için α=8°, 10°, 12°, 14,24° hücum açılarında ve Re=2x106'da, SST k-ω türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Birinci numerik çalışmada ilk olarak emme jeti konumunun etkisi, ardından en iyi sonucu veren emme jeti konumu seçilerek emme jeti hızı oranının etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde en iyi sonuç, emme jeti konumu 0,36c (Jet-3) ve emme jeti hızı oranı 0,5 olduğunda alınmıştır. Jet kontrolsüz duruma göre CL/CD oranı 17,92'den 273,03'e yükselmiştir. İkinci numerik çalışmada ilk olarak emme jetinin kanat aerodinamik performansına olumlu etki yaptığı görülmekle birlikte, en iyi jet konumunun ve jet hızı oranının 0,3c ve 0,3 olduğu sonucuna varılmıştır. Emme jeti konumunun kuyruk kenarına fazla yaklaşması durumunda artık, kanat aerodinamik performansına olumlu etkisi devam etmemektedir. İkinci numerik çalışmada son olarak dört ayrı hücum açısında da CL/CD'nin en yüksek değer aldığı jet konumunun 0,5c olduğu sonucuna varılmıştır. Bu konumun ötesine geçildiğinde ise, örneğin jet konumu Ljet=0,55c olduğunda, uygulanan emme jetinin şiddetinden bağımsız olarak, CL/CD oranı azalma eğilimi göstermiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to increase the aerodynamic performance of a wind turbine blade by using the suction technique which is one of the active control methods of boundary layer flows based on the principle of air intake from the boundary layer into the blade. Suction is defined as a continuous jet and the S809 airfoil is preferred which is widely used in wind turbine applications as a blade model. Two different numerical studies were carried out in this study and three different jet positions (Ljet = 0,1c, 0,26c, 0,36c) and three different jet velocity ratios (Rjet = 0,1, 0,3, 0,5) were selected as the parameters of the first numerical study. Four different angles of attack (α=8°, 10°, 12°, 14,24°), nine different jet positions (Ljet=0,1c, 0,2c, 0,3c, 0,45c, 0,5c, 0,54c, 0,55c, 0,72c, 0,945c) and three different jet velocity ratios (Rjet=0,1, 0,2, 0,3) were selected as the parameters of the second numerical study. For both numerical studies, the width of the suction jet was fixed as 2,5% of the chord length and the angle of the suction jet (θjet) was 90° to the local jet surface. Numerical analyses for two-dimensional, incompressible, steady, turbulent and viscous flow were performed using SST k-ω turbulence model with an angle of attack of α =15° and Re=106 for the first numerical study and angles of attack of α =8°, 10°, 12°, 14,24° and Re=2x106 for the second numerical study. In the first numerical study, firstly, the effect of the suction jet position was investigated and then the effect of the suction jet velocity ratio was examined with an optimum position of the suction jet that showed the best result. When the simulation results of the flow around the airfoil are examined, the best result is obtained when the suction jet position is jet-3 (0,36c) and the suction jet velocity ratio is 0,5. The ratio of CL/CD is increased from 17,92 to 273,03 compared to the no-jet situation. Although it is seen that the suction jet has a positive effect on the aerodynamic performance of the wing, it has been concluded in the second numerical study that the most beneficial jet position and jet velocity ratio are 0,3c and 0,3. If the suction jet position is located close to the trailing edge, the positive effect on the aerodynamic performance of the wing no longer exists. As a result of the analysis carried out in the second numerical study, it can be concluded that the jet position where CL/CD has the highest value in all four different angles of attack was 0,5c. Beyond this position, for example, when the jet position is Ljet=0,55c, CL/CD tends to decrease, regardless of the intensity of the applied suction jet.