İkili kanat profili etrafındaki düşük reynolds sayılı hava ve su akışlarının incelenmesi ve aerodinamik performans analizleri

Abstract

Ülkemizde ve dünyada geleneksel olarak enerji üreten türbinlerde standart kanat profilleri kullanılmaktadır. Bu kanatların verdiği maksimum kaldırma kuvvet katsayısı 1.6 civarındadır. Bu kanatlı türbinler kullanılarak enerji üretebilmek için gerekli minimum rüzgar hızı 6-7 m/s arasındadır. Bu çalışmamızın amacı, yüksek performans verebilecek rüzgar türbini kanat profili ortaya koymak ve ortaya konulan bu profil kullanılarak rüzgar ve hidrokinetik enerjiden elektrik enerjisi üretebilmektir. Bu tez çalışmasında, serbest akım bölgesinde kanat profili etrafındaki akışkanın değişimi incelenmiştir. Hava ve su ortamında, farklı hücum açılarında, farklı Re sayılarında, büyük-küçük kanat arasının farklı uzaklıklarında ve farklı kanat genişliği oranlarında FLUENTTM programıyla nümerik sonuçlar elde edilmiştir. Bu nümerik sonuçlarla, aynı koşullar altında incelenen NACA4412 kanat profili sonuçları karşılaştırılmıştır. En doğru ve en kesin sonucu elde edebilmek için GAMBITTM programında 43969 hücreye sahip sıkı ağ yapısı kullanılmıştır. Değişik koşullarda, kanat profiline ait basınç konturları, basınç katsayı dağılımı, maksimum kaldırma katsayısı, maksimum CL/CD oranı, hız konturları, akım çizgileri, türbülans şiddeti konturları ve vorteks kopma frekansı elde edilerek optimum kanat yapısına ulaşılmıştır. Bu sonuçlara ulaşılırken FLUENTTM programında en uygun türbülans benzeşim modeli olan Realizable k-? modeli kullanılmıştır. Elde edilen optimum kanadın, kanat elemanı momentum teorisi kullanılarak, uç hız oranıyla değişen burulma açıları elde edilmiştir. Hava ortamında, kanatlar arası h/c1=0.95 ve kanat genişliği oranı c2/c1=0.73 konumundayken Re=1.5x105 sayısında maksimum CL 230 hücum açısında 2.230 olarak elde edilmiştir. Fakat kanattan alınacak maksimum güç katsayısı için önemli olan CL/CD oranıdır ve kanat yapısı da buna göre dizayn edilir. Bu kanat yapısında maksimum CL/CD oranı, kanat arası mesafe h/c1=0.95 ve kanat genişliği oranı c2/c1=0.73 konumundayken Re=1.5x105 sayısında ve 120 hücum açısında elde edildiği için optimum hücum açısı 120 olarak seçilmiştir. NACA4412 kanat profilinde maksimum kaldırma kuvveti 160 hücum açısında 1.1 olarak elde edilmiştir. Su ortamında, kanatlar arası h/c1=0.88, kanat genişliği oranı c2/c1=0.73 konumundayken Re=2.24x105 sayısında maksimum CL 300 hücum açısında 2.4 olarak elde edilmiştir, fakat maksimum CL/CD oranı, kanatlar arası mesafe h/c1=0.95 ve kanat genişliği oranı c2/c1=0.73 konumundayken Re=4.5x105 sayısında ve 180 hücum açısında elde edildiği için optimum hücum açısı olarak 180 seçilmiştir. NACA4412 kanat profilinde maksimum kaldırma kuvveti 180 hücum açısında 1.335 olarak elde edilmiştir. Hesaplamalar sonucunda, hem hava hem de suda kullanılan kanat profilinin, NACA4412 kanat profiline göre aerodinamik performansının daha yüksek olduğu görülmüştür.

As traditionally, in our country and in the world, standart turbine airfoils are used for generating energy. Provided that the maximum lift coefficient of the blade is around 1.6. By using these turbines, minimum required wind speed is between 6-7 m/s for generating energy. The purpose of this study, reveal that a wind turbine blade profile which can provide high performance and produce electric energy from hydrokinetic energy with use this profile. In this thesis, fluid changes of around the airfoil analysed in the free flow.In air an water conditions, numerical solutions derived with FLUENTTM program at different angles of attack, different Re numbers, different distances between the blades and different blade span ratio. NACA4412 blade profile?s numerical solutions were compared with this numerical solutions which examined under the same conditions. Fine mesh is used with 43969 cells in GAMBITTM program to obtain the most accurate and precise results. In different conditions, optimum blade form has reached with obtained pressure contours, pressure coefficient, distribution, maximum lift coefficient, maximum CL/CD ratio, velocity contours, stream lines, turbulence intensity contours and vorteks break frequency of blade profile. While reaching this solutions, the Realizable k-? model has been used, which is the most appropriate similarity turbulence model in FLUENTTM program. Obtained the optimum blade?s twist angle, which is changing with tip speed ratio, with used blade element momentum theory. In air flow, while the distance between the blades h/c1=0.95, blade span ratio c2/c1=0.73 and Re=1.5x105 number, the maximum lift coefficient as obtained 2.230 at 230 attack angle. But, CL/CD ratio is more important to provide maximum power coefficient and blade form is designed according to this ratio. The optimum attack angle was chosen 120. Because, the maximum CL/CD ratio was obtained at this attack angle while the distance between the blades h/c1=0.95, blade span ratio c2/c1=0.73 and Re=1.5x105 number. For NACA4412 blade profile, the maximum lift coefficient as obtained 1.1 at 160 attack angle. In water flow, while the distance between the blades h/c1=0.88, blade span ratio c2/c1=0.64 and Re=2.24x105 number, the maximum lift coefficient as obtained 2.4 at 300 attack angle. But, the optimum attack angle was chosen 180. Because, the maximum CL/CD ratio was obtained at this attack angle while the distance between the blades h/c1=0.95, blade span ratio c2/c1=0.73 and Re=4.5x105 number. For NACA4412 blade profile, the maximum lift coefficient as obtained 1.335 at 180 attack angle. As a result of calculations, double blade profile?s aerodynamic performance was found to be higher, which is used in air and water flows, according to NACA4412 blade profile.