عنوان                                                                                                                       صفحه

فهرست مطالب…………………………………………………………………………………………………………..آ

فهرست شکل ها…………………………………………………………………………………………………..د

فهرست جدول ها………………………………………………………………………………………………..ح

چکیده………………………………………………………………………………………………………………ط

واژه های کلیدی…………………………………………………………………………………………………..ی

فصل اول: مقدمه………………………………………………………………………………………………1

1-1- بحران جهانی انرژی و انرژی باد………………………………………………………………………………………….1

1-2- توربین های بادی و انواع آن……………………………………………………………………………………………….4

1-2-1- توربین های بادی محور عمودی………………………………………………………………………………………5

1-2-2- توربین های بادی محور افقی…………………………………………………………………………………………..6

1-3- ایرودینامیک روتور توربین های بادی…………………………………………………………………………………..9

1-3-1- ضریب عملکرد توربین های بادی………………………………………………………………………………….12

1-3-2- ایرفویل توربین های بادی…………………………………………………………………………………………….16

1-4- بررسی اجمالی تحقیق اخیر………………………………………………………………………………………………20

فصل دوم: مروری بر تحقیقات پیشین…………………………………………………………………..22

2-1- طراحی از پایه………………………………………………………………………………………………………………..23

2-2- بهینه سازی ایرفویل ها……………………………………………………………………………………………………..24

2-3- روش های تحلیل( طراحی مستقیم)…………………………………………………………………………………….26

2-3-1- روش مستقیم پنل………………………………………………………………………………………………………..26

2-3-2- روش لزج-غیرلزج……………………………………………………………………………………………………..28

2-3-3- روش های دینامیک سیالات محاسباتی……………………………………………………………………………28

2-4- مدل اغتشاش اسپالارت-آلماراس……………………………………………………………………………………..30

2-5- آزمایش های تجربی ………………………………………………………………………………………………………31

2-6- موسسات و مراکز طراحی ایرفویل توربین های بادی……………………………………………………………..32

فصل سوم: روش طراحی و تعریف مسئله……………………………………………………………..34

فصل چهارم: تحلیل ایرودینامیکی ایرفویل…………………………………………………………..38

4-1- روش عددی پنل…………………………………………………………………………………………………………….38

4-1-1- شرط کوتا…………………………………………………………………………………………………………………41

4-1-2- ضریب تاثیر……………………………………………………………………………………………………………….42

4-1-3- جواب عمومی معادله ی لاپلاس بر پایه اتحاد گرین………………………………………………………….44

4-1-4- الگوریتم و مراحل حل یک مسئله به روش پنل…………………………………………………………………46

4-1-5- پیکربندی و حل مسئله…………………………………………………………………………………………………46

4-1-6- نتایج حاصل از روش پنل……………………………………………………………………………………………..51

4-2- دینامیک سیالات محاسباتی CFD……………………………………………………………………………………..57

4-2-1- مقدمه ای در مورد دینامیک سیالات محاسباتی…………………………………………………………………57

4-2-2- الگوریتم حل یک مسئله CFD……………………………………………………………………………………..57

4-2-3- شبکه بندی و حل مسئله……………………………………………………………………………………………….58

4-2-4- مدل سازی اغتشاش……………………………………………………………………………………………………63

4-2-5- استقلال شبکه…………………………………………………………………………………………………………….65

4-2-6- نتایج حل CFD………………………………………………………………………………………………………….66

4-3- بررسی تجربی و آزمایش تونل باد……………………………………………………………………………………..78

4-3-1- مقدمات کار………………………………………………………………………………………………………………78

4-3-2- نتایج حاصل از آزمایش تونل باد……………………………………………………………………………………87

فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری، مقایسه و پیشنهادات………………………………………………90

5-1- مقایسه نتایج حاصل از روش های مختلف تحلیل ایرودینامیکی……………………………………………….91

5-2- مقایسه نتایج با ایرفویل های پیشین……………………………………………………………………………………..95

5-2-1- مقایسه با نتایج تجربی پیشین………………………………………………………………………………………….95

5-2-2- مقایسه با نتایج عددی ایرفویل های پیشین………………………………………………………………………..99

5-3- مقایسه ضریب عملکرد محاسبه شده از روش CFD و نتیجه آزمایش تونل باد…………………………..101

5-4- تاثیر تعداد پره های توربین بر ضریب عملکرد…………………………………………………………………….102

5-5- جمع بندی و نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………….103

پیوست ها……………………………………………………………………………………………………107

پیوست (الف): جداول مربوط به نتایج……………………………………………………………………………………….107

پیوست (ب): کد کامپیوتری روش عددی پنل بر پایه توزیع خطی گردابه………………………………………..111

فهرست منابع………………………………………………………………………………………………..116

چکیده

در قرن اخیر با افزایش روز افزون تقاضا برای انرژی و کاهش منابع سوخت های فسیلی، نقش انرژی های تجدید پذیر در پیشرفت و توسعه کشور ها بر کسی پوشیده نیست. در این میان انرژی بادی سهم ویژه ای را به خود اختصاص داده است و در بین سایر انواع انرژی های تجدید پذیر بیشترین نرخ رشد را دارا است. توربین های بادی محور افقی نقش اساسی در تولید انرژی و توان بادی را دارند و تحقیقات و منابع مالی بسیاری برای پیشبرد طراحی و بهینه سازی آنها انجام گرفته است. در تحقیق اخیر یک ایرفویل (سطح مقطع پره ی توربین بادی) به روش ترکیبی برای کار در شرایط رینولدز پایین طراحی شده است و با سه روش مختلف مورد مطالعه و تحلیل آیرودینامیکی قرار گرفته است. این کار با مقدمه ای مختصر در مورد توربین های بادی شروع شده و به طور مفصل به پیشینه و سوابق کاری پژوهشگران و موسساتی که در زمینه ایرفویل ها تحقیقاتی داشته اند ادامه یافته است. سپس برای طراحی از ترکیب سطح بالایی NACA 63-1015 و سطح زیرین Wortmann FX63-168 که هردو از خانواده ی ایرفویل های مورد استفاده در توربین های بادی هستند استفاده شده است. پس از آن با بهره گرفتن از روش عددی پنل بر پایه توزیع خطی گردابه، روش دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) و آزمایش تجربی در تونل باد ایرفویل ترکیبی تحت مطالعه قرار گرفته است. برای روش پنل از کد کامپیوتری در زبان FORTRAN استفاده شده است و روش CFD با بهره گرفتن از مدل اغتشاش اسپالارت-آلماراس به وسیله نرم افزار FLUENT6.3.26 انجام گرفته است. آزمایش تجربی نیز در تونل باد دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهر مجلسی انجام گرفته است. نتایج بدست آمده با ایرفویل های طراحی شده ی پیشین برای  شرایط رینولدز پایین در مراجع معتبر و چند ایرفویل مرسوم برای استفاده در توربین های بادی که به علت در دسترس نبودن اطلاعات دقیق به صورت CFD شبیه سازی شده اند مقایسه شده است. بر اساس نتایج بدست آمده ایرفویل ترکیبی اخیر به دلیل ضریب برآ بسیار زیاد قابلیت بسیار بالایی برای فراهم کردن گشتاور شروع به کار مناسب برای توربین های رینولدز پایین را داراست. همچنین با توجه به نسبت برآ به پسای مناسب عملکرد بسیار مناسبی در پیش بینی های ضریب عملکرد نشان داده است. علاوه بر تحلیل کلی ایرفویل توربین بادی به بررسی قابلیت روش های مختلف برای پیش بینی بار های آیرودینامیکی ایرفویل توربین های بادی پرداخته شده است و نقش تغییر عدد رینولدز در کاهش یا افزایش ضرایب بارهای آیرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است. بر این اساس روش پنل تنها در زوایای حمله ی پایین قادر به پیش بینی ضریب برآ با درصدی خطا است و عملا در محاسبه ی ضریب پسا دست بسته است. این روش همچنین قابلیت بررسی تاثیر عدد رینولدز را ندارد. بر اساس مطالعات CFD مدل اسپالارت-آلماراس توانایی بالایی در شبیه سازی جریان ایرفویل توربین های بادی دارد و تنها در زوایای حمله ی بسیار بالا اندکی با خطا مواجه خواهد شد. بر اساس آزمایش های تجربی و دینامیک سیالات محاسباتی با افزایش عدد رینولدز ضریب برآ افزایش و ضریب پسا کاهش خواهد یافت در نتیجه ضریب عملکرد توربین بادی با افزایش عدد رینولدز، بیشتر خواهد شد.

واژه های کلیدی: انرژی های تجدید پذیر، ایرفویل توربین های بادی، آیرودینامیک تجربی، آیرودینامیک عددی، آزمایش تونل باد، ضریب عملکرد، دینامیک سیالات