Quy trình phân tích tự động cho tuabin gió trục đứng

Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7 2015 Trang 145 Quy trình phân tích tự động đặc tính khí động của turbine gió trục đứng  Vũ Ngọc Ánh  Huỳnh Nguyễn Minh Tùng Khoa Kỹ Thuật Giao T[.]

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 Quy trình phân tích tự động đặc tính khí động turbine gió trục đứng  Vũ Ngọc Ánh  Huỳnh Nguyễn Minh Tùng Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (Bài nhận ngày 13 tháng năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015) TĨM TẮT Bài báo trình bày quy trình phân tích báo phương pháp RANS 2D sử dụng hiệu suất turbine gió trục đứng (VAWT) mơ hình rối Realizable k   Quá trình chia lưới thực phần mềm cách tự động Bài báo nêu chi tiết quy GAMBIT, q trình tính tốn CFD thực trình bao gồm việc thiết kế hình học cho biên phần mềm thương mại ANSYS dạng cánh sử dụng phương pháp CST, FLUENT, trình điều khiển trình chia lưới lai kết hợp lưới có cấu phần mềm tính tốn MATLAB Các cơng trúc khơng có cấu trúc, q trình tính tốn thức sử dụng để tính tốn hệ số cơng CFD trình xử lý kết suất giới thiệu báo giá trị hiệu suất VAWT Các trình thiết kế thành module riêng biệt Phương pháp CFD sử dụng Từ khóa: turbine gió trục đứng, phân tích tự động, CFD, chia lưới, hiệu suất, GAMBIT, FLUENT GIỚI THIỆU Khi mà nguồn lượng hóa thạch dần trở nên cạn kiệt, việc nghiên cứu phát triển nguồn lượng thay trở thành vấn đề cấp thiết Trong đó, lượng gió nguồn lượng có tiềm Để chuyển từ lượng gió thành điện năng, người ta sử dụng turbine gió để chuyển từ lượng gió thành động năng, từ tạo điện nhờ vào máy phát Turbine gió phân loại dựa theo việc hướng gió thổi song song hay vng góc với trục quay turbine gió Turbine gió cấu hình để hoạt động trường hợp gió thổi song song gọi turbine gió trục ngang (HAWT) Đây loại turbine gió phổ biến Turbine gió cấu hình để hoạt động với hướng gió thổi vng góc với trục quay gọi turbine gió trục đứng (VAWT) Đây turbine gió có tiềm phát triển lý sau đây: (1) ồn turbine gió trục ngang, (2) hoạt động với gió từ hướng, (3) xây dựng VAWT sử dụng cho nhu cầu cá nhân Turbine gió trục đứng thân lại chia thành hai loại: turbine gió loại Darrieus turbine gió loại Savonius Turbine gió loại Darrieus turbine gió quay quanh trục nhờ lực nâng mà gió tạo lên cánh quạt Turbine gió loại Savonius hoạt động nhờ vào lực cản Trong nghiên cứu tập trung vào turbine gió loại Darrieus Có nhiều phương pháp để xách định hiệu suất turbine gió VAWT Trong đó, thực Trang 145 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 nghiệm phương pháp phổ biến Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đặc tính khí động turbine gió thực Tuy vậy, phương pháp thực nghiệm có nhược điểm tốn chi phí xác định đặc tính số lượng hạn chế turbine Cùng với phát triển máy tính, phương pháp CFD trở thành cơng cụ đắc lực để tính tốn đặc tính khí động turbine gió nói chung VAWT nói riêng Các kết nghiên cứu cho thấy phương pháp CFD cho kết phù hợp tốt với thực nghiệm Bài báo đưa quy trình phân tích đặc tính khí động turbine gió cách tự động Hệ số dày đặc thơng số hình học vơ thứ ngun đại diện cho tỷ lệ diện tích cách diện tích quét   Nc / d (5) Trong đó: N số cánh quạt turbine gió trục đứng, c chiều dày dây cung cánh d bán kính turbine PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ CÁNH [1] Công thức tính thành phần vận tốc tiếp tuyến Vc thành phần vận tốc vng góc Vn: Vc  R  Va cos  Vn  Va sin  (1) Trong đó: Va vận tốc dịng điểm xét,  vận tốc góc rotor, R bán kính turbine gió  góc phương vị cánh xét Hình Các thành phần vận tốc dòng biên dạng cánh Khi turbine gió quay, góc phương vị cánh thay đổi với thay đổi vận tốc tương đối dịng W góc  Từ hình 1, ta có cơng thức xác định góc :   tan 1 Vn / Vc   tan 1  sin  /  R / Va  cos    (2) Với V vận tốc tự dịng Cơng thức xác định vận tốc tương đối: W  Vc2  Vn2 (3) Diện tích quét mặt cắt mà bao quanh tồn turbine ta cho chuyển động với chuyển động turbine Diện tích qt turbine gió trục đứng cánh thẳng diện tích hình chữ nhật tính: S  2RH (4) Với H chiều cao turbine Trang 146 Hình Các thành phần lực biên dạng cánh Tỷ số tốc độ đầu cánh định nghĩa tỷ số vận tốc quay cánh quạt vận tốc dòng tự (vận tốc thực gió)    R / V (6) Phương lực nâng lực cản thành phần vận tốc vng góc tiếp tuyến hai lực thể hình Mối quan hệ hệ số lực tiếp hệ số lực pháp tuyến với hệ số lực nâng hệ số lực cản: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SOÁ K7- 2015 Ct  Cl sin   Cd cos  C n  Cl cos   Cd sin  (7) Cơng thức để tính lực tiếp tuyến lực vng góc:  cHW Ct Fn   cHW Cn Ft  Phương pháp CST dựa hàm số giải tích để mơ tả hình dạng biên dạng cánh Hàm số có hai thành phần hàm lớp hàm dạng Sử dụng phương pháp CST giới thiệu [2] [3], tọa độ đường cong cho biểu thức sau: (8) x  x   x   x  z (16) y    C NN21   S      c c c c c N1 Trong đó:  khối lượng riêng khơng khí c độ dài dây cung cánh  x  x  x C NN21         c c  c Với: Lực tiếp tuyến trung bình cánh quạt vịng quay tính sau: Fta  2  x  N   x  S      Ai     c  i    c   : hàm dạng (9) t Momen quay tổng T N cánh quạt: x: giá trị vô thứ nguyên từ tới T  NFta R (10) c: chiều dài đường cong Đa thức Bernstein dùng làm hàm Hệ số momen quay: CT  dạng T (11)  SV R n i x S    K i x i 1  x  c Công suất gió cho cơng thức Pw  (17)  SV3 (12) Công suất mà turbine gió lấy được: PT  T  (13) Hiệu suất turbine gió tỷ lệ cơng suất mà turbine tạo cơng suất gió: CP  PT T  (14) PW  SV Như vậy, ta có mối quan hệ hệ số công suất hệ số momen quay CP  CT  hàm lớp N1,N2: số mũ 2  F  d N2 (15) TÍNH TỐN SỐ 3.1 Phương pháp biểu diễn biên dạng cánh: phương pháp biến đổi hàm lớp – hàm dạng (class function – shape function metod - CST) n n! :hệ số nhị Trong K     i   i !(n  i )! thức Với n: bậc đa thức Bernstein Trong nghiên cứu này, biên dạng cánh dùng có dạng mép trước cánh hình trịn mép sau cánh hình nêm Từ đó, hệ số N1 N2 hàm lớp lựa chọn lượt 0.5 Bậc đa thức Bernstein chọn n=4, giá trị đủ để mô tả biên dạng cánh [2] 3.2 Chia lưới điều kiện biên Trong phân tích CFD, với hình học đơn giản hướng dịng khơng thay đổi, lưới có cấu trúc phù hợp cho độ xác cao việc tạo lưới trường hợp đơn giản Tuy nhiên, hình học trở nên phức Trang 147 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 tạp hướng dòng khơng dự đốn trước được, sử dụng lưới khơng có cấu trúc phù hợp việc xây dựng lưới dễ dàng, nhược điểm độ xác khơng cao.Vì vậy, nghiên cứu sử dụng lưới lai, kết hợp lưới có cấu trúc lưới khơng có cấu trúc Phương pháp giúp cân độ xác, thời gian tính việc dễ xây dựng lưới Lưới có cấu trúc tạo cho biên dạng cánh Nguyên tắc tạo điểm sở khung lưới có cấu trúc đường thẳng vng góc với đường thẳng tạo từ hai điểm sở liên tiếp biên dạng cánh Khoảng cách từ điểm sở khung tới bề mặt biên dạng cánh 15% dây cung cánh Tất điểm sở khung sau nối lại để tạo thành khung hồn chỉnh Để đảm bảo lưới có chất lượng tốt, lưới có cấu trúc biên dạng cánh chia đường elipse với điểm để tạo đường ellipse cho hình Lưới hồn chỉnh cho lưới có cấu trúc minh họa hình Các kích thước biên điều kiện biên phần lưới khơng có cấu trúc cho hình Biên dạng cánh NACA0021 sử dụng để đánh giá chất lượng lưới với phương pháp chia lưới Bảng tổng hợp đặc tính chất lượng lưới Các giá trị mức cho phép để đạt nghiệm hội tụ [4] Bảng Chất lượng lưới cho biên dạng cánh NACA 0021 Thuộc tính chất lượng Giá trị xấu Độ xiên (Skewness) 0.38 Tỷ lệ co (Aspect ratio) 14.72/1 Hình Các điểm cần thiết để tạo đường ellipse Hình 3: Cách xác định điểm sở khung lưới có cấu trúc Bảng Tọa độ điểm để tạo đường ellipse Ellipse # xi 0.15c 0.2c yi 0.17c 0.35c 0.35c 0.17c 0.02c Trang 148 0.8c 0.95c 0.995c Hình Phần lưới có cấu trúc hồn chỉnh biên dạng cánh TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 Với Gk đại diện cho tạo thành động rối gradient vận tốc, Gb đại diện cho tạo thành động rối lực nổi, YM: đại diện cho đóng góp dao động giãn nở bất thường rối nén tới tốc độ tiêu hao tổng thể ( YM   M t2 với Mt số Mach rối), C2=1.9 C1ε=1.44 số mơ hình k-  Realizable,  k ,   : số rối Prandtl cho k  Hình Kích thước điều kiện biên lưới khơng có cấu trúc – phần xoay Hình Kích thước điều kiện biên lưới khơng có cấu trúc – phần đứng n 3.3 Phương pháp số Mơ hình rối lựa chọn Realizable k-  Mơ hình phương trình đối lưu mơ hình Realizable k-  là: t  k        k     ku j        t x j x j   k  x j  Gk  Gb    YM  Sk Và t           u j      t x j x j   2   C1 S    C2  C1 k         x j  2 C3 Gb  S k k n   đó: C1  max 0.43,  , n  S , n    S  S ij S ij , Tính tốn mơ thực sử dụng chương trình giải RANS thương mại ANSYS FLUENT Giải thuật SIMPLEC dược sử dụng để giải toán liên kết thành phần vận tốc áp suất phương trình động lượng Lưu chất giả thuyết không nén Bước thời gian chọn đủ nhỏ đảm bảo mô tả tượng chuyển tiếp phải giới hạn số lần lặp để giảm chi phí tính tốn Trong nghiên cứu này, bước thời gian chọn thời gian để turbine quay góc 4o Điều kiện hội tụ nhỏ 10-5 Khi phương trình Navier-Stokes giải tới đạt trạng thái bán hội tụ (các giá trị cũ sau chu kỳ quay), hệ số momen cánh quát riêng biệt hệ số momen ba cánh quạt bước thời gian ghi lại vào tập tin liệu Các tập tin sau xử lý phần mềm MATLAB để tính hệ số momen quay trung bình hệ số cơng suất trình bày phần 3.4 Kiểm chứng kết Hình cho thấy phân bố hệ số áp suất  =2.33 hệ trục tọa độ cực so sánh với kết Castelli et al [5] (cùng turine gió điều kiện kiểm tra) Tuy tồn vài khác biết trọng kết quả, nhiên hệ số công suất trung bình mơ hình gần với 0.432 mơ hình nghiên cứu 0.429 kết [5] (sai khác 0.7%) Trang 149 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Quy trình tính tốn mơ phân tích tự động mơ tả hình 10 Hình 10 Quy trình tính tốn tự động Hình Hệ số cơng suất theo góc phương vị với =2.33 so sánh với [5]  Từ quy trình phân tích giới thiệu, phần mềm phát triển để phân tích hiệu suất turbine gió trục đứng tự động Từ giao diện, người sử dụng nhập vào thơng số thiết kế Phần mềm thực quy trình tính tốn hiển thị kết Giao diện phần mềm minh họa hình 11 Hình Thay đổi hệ số cơng suất trung bình theo tỷ số vận tốc đầu cánh Hình 11 Hiển thị kết phân tích biên dạng cánh sở Để khảo xác xác mơ hình đưa theo giá trị tỷ số vận tốc đầu cánh khác nhau, mô thực giá trị tỷ số tốc độ đầu cánh khác Tính tốn mơ thực chạy song song máy tính có cấu hình: 4-processor, 2.83 GHz Thời gian cho trường hợp mô Hình cho thấy thay đổi hệ số cơng suất trung bình theo tỷ số tốc độ đầu cánh cánh so sánh với kết từ [5] Trang 150 KẾT LUẬN Nghiên cứu hoàn thành giới thiệu phát triển hệ thống hồn tồn tự động để phân tích hiệu suất VAWT kết hợp với phương pháp biểu diễn hình học biên dạng cánh CST việc biểu diễn số lượng lớn loại biên dạng cánh, phương pháp tự động tạo lưới lai đảm bảo tính xác hội tụ kết quả, sử dụng mơ hình Realizable k-ε model mơ CFD Bên cạnh đó, TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SOÁ K7- 2015 nghiên cứu giới thiệu phát triển chương trình tính tốn phân tích tự động hiệu suất VAWT Nghiên cứu không xem xét ảnh hưởng trụ đến hiệu suất khí động học turbine gió ảnh hưởng chiều cao turbine gió Trong tương lai, ảnh hưởng trụ chiều cao (hiệu ứng 3D) nghiên cứu thêm để tăng thêm độ xác kết phân tích Bên cạnh đó, với quy trình phân tích tự động giới thiệu báo, quy trình tối ưu hóa hiệu suất khí động turbine gió trục đứng dễ dàng thực Lời cám ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát Triển Khoa Học Công Nghệ Quốc Gia Việt Nam (mã số đề tài: 107.042012.25) Trang 151 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 An automated analysis process for vertical axis wind turbine  Vu Ngoc Anh  Huynh Nguyen Minh Tung Ho Chi Minh city University of Technology,VNU-HCM ABSTRACT: This paper presents an automated methods used in this research is RANS 2D process for analyzing the performance of using Realizable k   turbulence model vertical axis wind turbine (VAWT) The details Meshing process will be done on the of this process will be demonstrated, which GAMBIT software, the CFD calculations are include the airfoil geometry representation done on commercial ANSYS FLUENT using CST method, a hybrid meshing process software and these processes are combining structured grids and unstructured controlled by mathematical software grids, CFD calculation process and MATLAB The formulas used to calculate processing data results to calculate the power the power coefficient will be also introduced in this paper coefficient of VAWT These processes are designed as separate modules CFD Keyword: vertical axis wind turbine, design optimization, computational fluid dynamics REFERENCES [1] A M Biadgo, A Simonovic, D Komarov, and S Stupar, “Numerical and analytical investigation of vertical axis wind turbine,” FME Trans., vol 41, no 1, pp 49–58, 2013 helicopter rotor blades including airfoil shape for hover performance,” Chinese J Aeronaut., vol 26, no 1, pp 1–8, Feb 2013 [2] B M Kulfan and J E Bussoletti, “Fundamental parametric geometry representations for aircraft component shapes,” in 11th AIAA/ISSMO multidisciplinary analysis and optimization conference, 2006, pp 1–42 [4] ANSYS, Inc (2011), "FLUENT 14.0 User’s Guide" [3] N A Vu, J W Lee, and J Il Shu, “Aerodynamic design optimization of Trang 152 [5] M Raciti Castelli, A Englaro, and E Benini, “The Darrieus wind turbine: Proposal for a new performance prediction model based on CFD,” Energy, vol 36, no 8, pp 4919–4934, Aug 2011  ... No.K7- 2015 Quy trình tính tốn mơ phân tích tự động mơ tả hình 10 Hình 10 Quy trình tính tốn tự động Hình Hệ số cơng suất theo góc phương vị với =2.33 so sánh với [5]  Từ quy trình phân tích giới... cứu thêm để tăng thêm độ xác kết phân tích Bên cạnh đó, với quy trình phân tích tự động giới thiệu báo, quy trình tối ưu hóa hiệu suất khí động turbine gió trục đứng dễ dàng thực Lời cám ơn: Nghiên... khí động turbine gió nói chung VAWT nói riêng Các kết nghiên cứu cho thấy phương pháp CFD cho kết phù hợp tốt với thực nghiệm Bài báo đưa quy trình phân tích đặc tính khí động turbine gió cách tự