جلسه دفاعیه آقای هادی متوج دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده رساله:

تمامی اقدامات انسانی، وجود منابع انرژی را الزامی می‌کنند. در حال حاضر، بخش عمده‌ای از انرژی مورد نیاز ما، از طریق سوخت های فسیلی تأمین می‌شود که در دهه‌های آینده با عدم‌قطعیت در مورد در دسترس‌بودن آن­ها روبرو هستیم؛ اگرچه احتراق این سوخت‌ها منجر به عواقب نامطلوب زیست‌محیطی می‌گردد. انرژی باد در زمره یکی از منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر قرار می‌گیرد. انرژی باد با استفاده از توربین‌های بادی دارای محور افقی و عمودی تولید می‌شود. توربین‌های بادی دارای محور عمودی، تحت شرایط سرعت باد کم به منظور تولید برق در مقیاس‌های کوچک به‌ خوبی کار می‌کنند. در طرف دیگر، طرح‌های متعددی برای افزایش عملکرد آن‌ها در چنین شرایطی ارائه شده ‌است.

در این پژوهش، هدف بر آن است که یک مدل کم هزینه را به منظور ارزیابی طراحی آئرودینامیکی و عملکرد توربین بادی محور عمودی گورلوف توسعه دهیم. بدین منظور، یک مدل لوله چند جریان دوبخشی که مبتنی بر تئوری مومنتوم المان پره است، برای توربین­های بادی محور عمودی نوع داريوس با پره­های مستقیم و نوع گورلوف، توسعه داده شده است. مدل‌های توسعه‌یافته از طریق مقایسه نتایج بدست‌آمده از آن‌ها با نتایج موجود در منابع اعتبارسنجی شده‌اند. به علاوه، مقایسه‌ای میان توربین­های بادی محور عمودی نوع داريوس با پره­های مستقیم و نوع گورلوف از نقطه نظر عملکردی صورت گرفته است. علاوه بر این، ارزیابی جامعی در مورد اثرات پارامترهای هندسی و عملکردی از جمله پروفیل ایرفویل تیغه (پره)، تعداد تیغه‌ها، زاویه مارپیچ، نسبت ابعادی و سرعت باد آزاد برای عملکرد آئرودینامیکی و منحنی‌های گشتاور توربین گورلوف انجام شده‌است. اضافه بر موارد گفته شده، پارامترهای طراحی اولیه روتور توربین گورلوف مورد مطالعه، مبتنی بر مدل‌سازی بر اساس جایگزینی در هر نسبت سرعت نوک (λ) بهینه‌سازی شده است. بدین منظور، پس از تعیین پارامترهای موثر و محدوده تغییرات آن‌ها، ماتریس نمونه با استفاده از روش طراحی آزمایش، از ترکیب پارامترهای مورد مطالعه به عنوان متغیرهای ورودی و ضریب توان (C_p) که برای هر کدام از آن‌ها بر اساس مدل لوله چند جریان دوبخشی توسعه‌یافته محاسبه شده‌است، تشکیل شده‌است. مدل جایگزینی با استفاده از نتایج بدست‌آمده در هر نسبت سرعت نوک تعریف شده‌است. پس از آن، بهترین ترکیب پارامترهای هندسی مطالعه شده از فضای طراحی با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک و با هدف بیشینه‌سازی ضریب توان توربین برای هر λ از 1.5، 2، 2.5، 3، 3.5، 4 و 4.5 استخراج شده‌است.

از نتایج مشاهده شده‌است که با وجود کاهش اندک پیک ضریب توان توربین گورلوف در مقایسه با نوع داريوس، عملکرد روتور توربین گورلوف از نقطه نظر اثربخشی و نوسان با توجه به منحنی ضریب گشتاور تیغه مارپیچ بهتر است. با در نظر گرفتن نتایج ارزیابی پارامتریک در توربین گورلوف، حداکثر ضریب توان برابر با 0.479 برای نسبت سرعت نوک 3.5 در ایرفویل 0018 NACA می‌باشد. به علاوه، آشکار می‌شود که تعداد تیغه‌ها و زاویه مارپیچ پارامترهای مهمی در کاهش بارهای آیرودینامیکی و بهبود پایداری روتور هستند. هرچه طول وتر تیغه یا نسبت ابعادی افزایش یابد، عملکرد در مقادیر پایین λ بهبود می‌یابد. گرچه عملکرد در مقادیر بالای λ و پیک C_p کاهش می‌یابد. افزون بر این، رفتار خود-راه‌اندازی با افزایش طول وتر تیغه یا سرعت باد آزاد بهبود یافته و با استفاده از ایرفویل‌های نازک‌تر رو به وخامت می‌گذارد. منحنی‌های عملکردی تا زمانی‌که سرعت باد آزاد به سرعت نامی برسد، که برای توربین گورلوف مورد مطالعه 12 متر بر ثانیه می‌باشد، عریض‌تر می‌شوند. با مقایسه نتایج روند بهینه‌سازی، حداکثر مقدار پیک C_p برابر با 0.503 به طراحی بهینه توربین گورلوف در λ برابر با 3.5 تعلق دارد. در حالی‌که، طراحی بهینه توربین گورلوف در مقدار λ برابر با 3 بهترین منحنی عملکردی C_p را نسبت به منحنی‌های بهینه طراحی λ کمتر از 3 دارد.

واژه‌هاي كليدي: توربین بادي محور عمودي گورلوف، انرژی باد، مدل لوله چند جریان دوبخشی، توربین داريوس، عملکرد آئرودینامیکی، روش طراحی آزمایش، مدل‌سازی بر اساس جایگزینی.