Dinamica De Fluidos

dinámica de fluidos diseño de la turbina de viento:

análisis crítico de un modelo matemático para la dinámica de fluidos viento, optimización y aplicación de la teoría de BEM

un modelo matemático para la dinámica de diseño de la turbina de viento del fluido (basado en la teoría dinámica del elemento) se ha aplicado y mejoraron significativamente simulaciones matemáticas se han comparado con los datos experimentales de la literatura. la simulación se llevó a cabo para toda la gama de la velocidad del viento, en el diseño y en condiciones fuera de diseño. varias simulaciones se realizaron con el fin de maximizar el acuerdo entre los datos simulados y experimentales.

particualr atención se prestó al factor de inducción tangencial y de los modelos para la representación de que los coeficientes de sustentación y resistencia. una comparasion También se hizo entre el modelo mathemtical precentd en el papel y los que se consideran en la literatura. Finalmente, se implementó el modelo para optimizar preformance rotor, especialmente a bajas velocidades de viento, lo cual es crucial para producir energía durante la fase de puesta en marcha de la máquina.

el modelo matemático utilizado con mayor frecuencia por la comunidad científica e industrial es el basado en el impulso elemento de hoja (BEM) teoría. que ofrece la posibilidad de realizar la dinámica de fluidos el desing de las palas del rotor, y para evaluar el viento

rendimiento de la turbina (en en diseño y condiciones fuera de diseño). Con la aplicación de este modelo es posible diseñar el rotor, para elegir las características geométricas de la turbina (diámetro del rotor, superficies de sustentación aerodinámicas, acorde, el tono y giro), y para evaluar las fuerzas que actúan sobre las cuchillas, y por lo que el par de torsión y la potencia en el eje del rotor. Con este modelo matemático es posible también para evaluar el rendimiento de la turbina con una amplia gama de velocidades del viento.

La teoría BEM se basa en la teoría de la hélice Glauert [9], modificado para su aplicación a las turbinas de viento. En los últimos años la teoría BEM ha sido optimizado y modificado para proporcionar resultados cada vez más precisos. Para la estabilidad numérica del modelo matemático las mayores dificultades están representados por la determinación de los factores de inducción axial y tangencial, la falta de mediciones experimentales en la elevación de perfil aerodinámico y coeficientes de resistencia a altos ángulos de ataque, y su representación en tres dimensiones. A fin de tener la representación tridimensional en cuenta, las medidas experimentales en túnel de viento deben ser modificados a fin de considerar el flujo radial a lo largo de las cuchillas (centrífuga de bombeo [8,18]).

2. El modelo matemático

El modelo matemático implementado en este trabajo para el diseño de dinámica de fluido de una turbina de viento se basa en la teoría BEM. Mediante la aplicación del impulso y ecuaciones de conservación del momento angular, es posible obtener las fuerzas que actúan sobre las cuchillas, y por lo que el par y la potencia en el eje del rotor.

. Figura La figura 1 muestra una sección transversal de la pala de rotor y las velocidades relativas a la superficie de sustentación. También se muestran los factores de inducción axiales y tangenciales (A y A) que afectan significativamente el valor real de las velocidades.

. Figura La figura 2 muestra las fuerzas que actúan sobre la superficie de sustentación. Las fuerzas que actúan en el sector de la cuchilla con una altura de DR1, son: dT ¼ fuerza tangencial (tangencial al disco rotor): DN ¼ fuerza normal (perpendicular al disco de rotor); dl ¼ ascensor; dD ¼ arrastrar y dR ¼ resultantforce.

Mediante la aplicación de la teoría de BEM, es posible evaluar la dN fuerza y el par dM para cada elemento de pala, como se indica en las ecuaciones. (1) y (2):

Para cada perfil de ala aerodinámica, CL y CD dependen del número de Reynolds y el ángulo de ataque (ver Figs. 3 y 4).

Figs. 3 y 4 se proporcionan los valores de los coeficientes CL y CD para el S809 aerodinámica. Desde diferentes mediciones en túnel de viento [5], figuras. 3 y 4 se proporcionan CL y CD coeficientes para diferentes números de Reynolds (desde 3x105to 106), y para el ángulo típico de rango de ataque (de 20 ° a 90 °) para un régimen de flujo de turbina eólica.

El par de torsión y las fuerzas normales dependen de los factores de inducción tangenciales y axiales. Para evaluarlos, es necesario poner en práctica el impulso y ecuaciones de conservación del momento angular.

A partir de la conservación del impulso en la dirección axial, entre la sección más aguas arriba y la sección de lejos aguas abajo, es posible obtener otras dos expresiones para el DN de la fuerza y el par dM. Igualando estas dos ecuaciones, con

3. Mejora de los factores de inducción axial y tangencial

3.1. El factor de inducción axial

Ecuación. (3) sólo da resultados fiables para valores del factor de inducción axiales entre 0 y 0,4. Para los factores de inducción axiales mayores que 0.4 la teoría BEM no produce resultados fiables. Glauert [4], se obtuvo una corrección para la determinación del factor de inducción axial cuando un> 40,4, válida sólo para F = 1 (Fig. 5). Si se tienen en cuenta (Fo1) las pérdidas en la punta de la cuchilla, es necesario tener en cuenta la corrección (Ec. (7)) propuesto por Buhl [3], y aplicado en [2] (Fig. 6, con los datos experimentales de [2]).

Esta corrección es necesaria para eliminar la inestabilidad numérica que se produce cuando la corrección Glauert se lleva a cabo en conjunción con la presencia de las pérdidas de punta.

3.2. El factor de inducción tangencial

Mediante la aplicación de la ecuación de la energía entre la sección del rotor contra el viento y la sección a favor del viento (véase la fig. 1), es posible obtener la caída de presión del rotor [5], y por lo que la normal de

vigor,

En conclusión, al igualar la ecuación. (8) con la fuerza normal obtenido a partir de la teoría de BEM, una nueva expresión para el factor de inducción tangencial se puede obtener fácilmente:

Para verificar la validez de los datos simulados, el modelo matemático se comparó con los datos experimentales recogidos por el NREL [8] en la NASA-Ames pruebas de túnel de viento. La turbina eólica es la UAE Fase VI, con dos cuchillas, retorcidas y con la variable acorde a lo largo de la hoja, y con un diámetro de 10 m [10]. La superficie de sustentación aerodinámica es el S809 y es constante a lo largo de las cuchillas; el terreno de juego es 31 y la velocidad de rotación es 72 r / min.

Las siguientes dos figuras muestran una comparación y los errores entre los datos simulados y experimentales. La simulación se llevó a cabo dos veces, con el fin de verificar la corrección del factor de inducción tangencial, evaluado con las Ecs. (4) y (9).

. Figura 7 muestra que la curva de par simulado está más cerca de los datos experimentales cuando se evalúa el factor de inducción tangencial usando la ecuación. (9). Por otra parte, los valores de los factores de inducción tangenciales evaluados con la ecuación. (9) son más pequeños que los evaluados con la ecuación. (4). Esto es debido a una representación matemática más exacta de las pérdidas de punta de pala [5].

. Figura La figura 8 muestra el par de porcentaje de error relativo eje entre las dos simulaciones matemáticas, y los datos experimentales.

4. Levante y arrastre coeficientes

Los coeficientes de sustentación y resistencia aerodinámica de un determinado pueden ser evaluados a partir de mediciones en túnel de viento. Los valores dados en las figuras. 3 y 4 deberán instalarse para tener funciones matemáticas para su aplicación en el modelo de simulación. El flujo alrededor de la superficie de sustentación se caracteriza por tres regímenes diferentes: régimen de flujo unido (la zona A en la figura 3.); Alta elevación, el desarrollo puesto de régimen dinámico-parada (zona B); placa plana, régimen totalmente estancado (zona C).

Para ajustar los datos experimentales sobre los coeficientes de sustentación y resistencia, logarítmica un polinomio de quinto orden (desplazada por 101) se llevó a cabo para el ángulo de ataque de -6 ° a -20 ° (zonas A y B), como se muestra en las ecuaciones. (11) y (12).

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