Utafiti huu unachunguza jinsi tabia ya aerodinamiki ya pande tatu na inayotegemea muda ya mabawa inavyobadilika wakati jukwaa la turbine ya upepo ya baharini inayoelea linapopiga mzunguko wa kuinama mbele na nyuma (pitch) kutokana na mawimbi. Watafiti waliiga turbine ya rejea ya NREL 5 MW kwa kutumia modeli ya pande tatu ya URANS-CFD inayotegemea OpenFOAM na kutatua moja kwa moja jiometri ya bawa; walilinganisha amplitudo za pitch za jukwaa za 1°, 4° na 8° katika masafa ya 0,1 Hz. Mwendo wa jukwaa ulibadilisha mara kwa mara kasi ya upepo linganishi inayoonekana na rota; nguvu na msukumo viliosileti katika masafa ya msingi sawa na masafa ya mwendo wa jukwaa. Kadiri amplitudo ya mwendo ilivyoongezeka, nguvu ya wastani iliongezeka, msukumo wa wastani ulipungua na wigo wa mzigo wa papo hapo ulipanuka kwa kiasi kikubwa.

Kwa pitch ya digrii moja, nguvu ya wastani ya rota ilihesabiwa kuwa 5.116,71 kW, huku wigo wa nguvu ukiwa 3.916,52-6.356,46 kW. Kwa pitch ya digrii nane, nguvu ya wastani iliongezeka hadi 6.169,19 kW, huku nguvu ya papo hapo ikibadilika kati ya -797,76 kW na 14.669,58 kW. Nguvu hasi ya papo hapo inaonyesha kwamba katika sehemu fulani ya mzunguko wa mwendo rota inaweza kuingia katika hali ambayo badala ya kuzalisha nishati, hutumia nishati kwa njia ya aerodinamiki. Katika hali hiyo hiyo, msukumo wa rota ulibadilika kati ya 158,86-1.198,62 kN na msukumo wa wastani ukashuka hadi 725,02 kN.

Katika awamu ambayo jukwaa lilisogea kuelekea upepo, athari za sentrifugo na Coriolis zinazotokana na mzunguko wa rota na mwendo wa angulari wa jukwaa zilikuza mtiririko wa radiali unaoendelea kutoka mzizi wa bawa kwenda nje. Katika kasi ya juu zaidi ya jukwaa kwa mwendo wa digrii nne na nane, mtiririko wa radiali ulienea kutoka mzizi hadi ncha ya bawa. Mtiririko wa radiali ulichelewesha kutengana kwa mtiririko kwa kurahisisha kuondolewa kwa kiowevu chenye nishati ndogo cha tabaka la mpaka kutoka uso wa bawa na kuleta kiowevu chenye momentum ya juu kwenye uso, na hivyo kusababisha sehemu za bawa za pande tatu kuzalisha nguvu za aerodinamiki zilizo juu kuliko profaili za pande mbili.

Kinyume chake, katika awamu ambayo rota ilisogea nyuma kuelekea upande wa upepo, kasi ya upepo linganishi ilipungua kwa kiasi kikubwa; katika mwendo wa digrii nane, sehemu ya maeneo ya ndani na ya kati ya bawa iliingia katika rejimu inayozalisha msukumo hasi, iliyoelezwa kama “hali ya propela”. Matokeo haya yanaonyesha kwamba mwendo wa jukwaa hauongezi tu utendaji wa aerodinamiki; katika awamu tofauti za mzunguko wa mwendo unaweza pia kugeuza mwelekeo wa uzalishaji, mzigo na rejimu ya mtiririko.

Mtiririko wa radiali wa pande tatu pia ulibadilisha mwelekeo wa vitanzi vya histeresis vya mgawo wa kuinua dhidi ya pembe ya mashambulizi. Katika sehemu za ndani za bawa vitanzi vilizunguka kinyume cha saa, ilhali katika sehemu ya nje zaidi ya 0,6421R vilibaki vikiwa vya saa kwa amplitudo ndogo; mpangilio huu ulivurugika kadiri amplitudo ilivyoongezeka. Katika sehemu zote zilizochunguzwa, damping ya aerodinamiki ilibaki chanya. Hata hivyo, mgawo wa damping katika sehemu ya 0,6421R ulipungua kutoka 0,122546 kwa mwendo wa 1° hadi 0,00162 kwa mwendo wa 8°. Upungufu huu wa takribani asilimia 98,7 hauonyeshi kwamba kutokuwa thabiti kumetokea moja kwa moja, bali unaonyesha kwamba akiba ya usalama dhidi ya mtetemo unaojichochea yenyewe katika eneo la kati la urefu wa bawa imepungua sana.

Kizuizi kikuu cha utafiti ni kwamba matokeo yanategemea modeli ya kihesabu yenye mwendo wa jukwaa uliofafanuliwa mapema na wenye daraja moja la uhuru, badala ya vipimo vya uwanjani vya kiwango kamili. Kasi ya upepo na mzunguko wa rota viliwekwa thabiti; athari ya mnara, ulegevu wa bawa, udhibiti hai wa turbine, mwitikio wa hidrodinamiki wa jukwaa na mienendo mingine ya jukwaa hazikuundwa kwa pamoja. Utafiti pia ni preprint ambayo haijapitia tathmini ya rika.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Utafiti unalenga kubainisha jinsi mtiririko wa pande tatu kuzunguka mabawa ya rota unavyobadilika wakati jukwaa la turbine ya upepo ya baharini inayoelea linapofanya pitch ya mara kwa mara, na athari za mabadiliko hayo kwa nguvu, msukumo, mizigo ya bawa, stall, histeresis na damping ya aerodinamiki.

Katika turbine ya upepo yenye msingi uliowekwa, nafasi ya rota angani kwa kiasi kikubwa hubaki thabiti. Katika turbine inayoelea, mizigo ya mawimbi na upepo husababisha jukwaa kufanya mienendo ya uhamaji na mzunguko. Jukwaa linapozunguka mbele na nyuma, ndege ya rota huinama na pia hupata kasi ya mstari. Upepo unaoonekana na bawa huwa tofauti na kasi ya upepo wa angahewa, na pembe ya mashambulizi kwenye bawa hubadilika mfululizo.

Hoja muhimu ambayo utafiti unaangazia ni kwamba mwendo wa jukwaa huzalisha athari za ziada ambazo haziwezi kuelezwa kwa aerodinamiki ya profaili ya pande mbili pekee. Katika bawa linalozunguka kuna nguvu ya sentrifugo, nguvu ya Coriolis na gradiyenti ya shinikizo kutoka mzizi hadi ncha. Mwendo wa angulari wa jukwaa huongeza mfumo wa pili wa marejeo unaozunguka kwa nguvu hizi. Kwa hiyo, bawa huathiriwa kwa wakati mmoja na nguvu za inertia ndani ya mfumo wa mzunguko wa rota na mfumo wa pitch wa jukwaa.

Pengo gani la fasihi linalolengwa?

Tafiti zilizopita kuhusu turbine za upepo zinazoelea kwa kawaida zilijikita katika nguvu ya jumla ya rota, msukumo, eneo la wake au tabia ya dynamic stall katika sehemu za nje za bawa. Jinsi mtiririko wa pande tatu kwenye mzizi na eneo la kati la urefu wa bawa unavyobadilika kutokana na mwendo wa jukwaa, kwa kiwango gani mtiririko huu huongeza mizigo ya ndani na jinsi unavyoungana na dynamic stall kumeainishwa kwa kiasi kidogo zaidi.

Katika eneo la nje la bawa, kwa sababu kasi ya mzunguko ni kubwa, athari linganishi ya mabadiliko ya kasi ya upepo yanayosababishwa na mwendo wa jukwaa kwenye pembe ya mashambulizi ya ndani ni ndogo zaidi. Katika mzizi na eneo la kati la bawa, kasi ya mzunguko ni ndogo, pembe ya mashambulizi ya uendeshaji ni kubwa na profaili zinazotumika ni nene zaidi. Kwa hiyo, mwendo wa jukwaa unaweza kubadilisha pembe ya mashambulizi kwa nguvu zaidi katika maeneo haya na kutengana kwa mtiririko kunaweza kuanza mapema.

Pamoja na kuchunguza usambazaji wa mzigo wa jumla kando ya bawa, utafiti unajaribu kutenganisha athari zinazosababishwa na mzunguko kwa kulinganisha matokeo ya bawa ya pande tatu katika sehemu tatu tofauti na matokeo ya profaili ya pande mbili katika pembe sawa ya mashambulizi yenye ufanisi na namba sawa ya Reynolds.

Athari ya mzunguko wa pande tatu ni nini?

Katika tabaka la mpaka la bawa la turbine ya upepo linalozunguka, mtiririko hauendi tu kutoka ukingo wa mbele hadi ukingo wa nyuma. Hasa katika eneo la mtiririko uliotengana, kiowevu kinaweza kusogea kutoka mzizi wa bawa kuelekea ncha kwa sababu ya nguvu ya sentrifugo na tofauti ya shinikizo kutoka mzizi hadi ncha. Sehemu hii huitwa “mtiririko wa radiali” au “mtiririko katika mwelekeo wa span”.

Mwendo wa mtiririko wa radiali katika mfumo unaozunguka wa marejeo huzalisha nguvu ya Coriolis. Nguvu ya Coriolis inaweza kuchangia kuondoa kiowevu chenye nishati ndogo kutoka eneo la kutengana na kuleta kiowevu chenye momentum ya juu kutoka mtiririko wa nje hadi kwenye uso kwa kubadilisha ubadilishanaji wa momentum ndani ya tabaka la mpaka.

Utaratibu huu katika baadhi ya sehemu za bawa unaweza:

• Kuchelewesha kutengana kwa mtiririko kuelekea ukingo wa nyuma,
• Kupunguza eneo la kutengana,
• Kuongeza kilele cha shinikizo la chini kwenye uso wa suction,
• Kuongeza mgawo wa kuinua na mgawo wa nguvu tangentiali,
• Kusababisha uchambuzi wa profaili za pande mbili kukadiria chini mizigo ya mzizi.

Dynamic stall na histeresis zinamaanisha nini?

Katika profaili tuli, kuinua huongezeka kadiri pembe ya mashambulizi inavyoongezeka hadi kufikia kiwango fulani; kisha kutengana kwa mtiririko huongezeka na stall hutokea. Ikiwa pembe ya mashambulizi inabadilika kwa haraka kwa muda, kutengana kwa mtiririko, uundaji wa vortex na kushikamana upya havifuati mabadiliko ya pembe ya mashambulizi mara moja. Tabia hii ya kuchelewa huitwa dynamic stall.

Ikiwa mgawo tofauti wa kuinua hupatikana katika pembe sawa ya mashambulizi wakati pembe hiyo inaongezeka na inapungua, kitanzi kilichofungwa hutokea kwenye grafu ya mgawo wa kuinua dhidi ya pembe ya mashambulizi. Kitanzi hiki ni histeresis ya aerodinamiki inayoonyesha kwamba mtiririko unategemea hali yake ya awali.

Utafiti unaonyesha kwamba mtiririko wa radiali unaweza kubadilisha sio tu ukubwa wa kuinua bali pia iwapo kitanzi cha histeresis husonga kwa mwelekeo wa saa au kinyume cha saa.

Ni modeli gani ya turbine ya upepo iliyotumika?

Modeli ya kihesabu ilitumia turbine ya upepo ya rejea ya NREL 5 MW. Modeli hii ni jiometri ya rejea yenye mabawa matatu na mhimili mlalo inayotumika sana katika utafiti wa turbine za upepo zinazoelea.

Hub na nacelle zilirahisishwa kuwa miundo ya silinda ili kupunguza gharama ya hesabu. Modeli ya mnara haikujumuishwa. Watafiti walitoa hoja kwamba mabadiliko ya kasi linganishi ya rota yanayosababishwa na mwendo wa jukwaa ni makubwa zaidi kuliko athari za wake ya nacelle na mnara.

Ingawa urahisishaji huu ulionekana kuwa wa kuridhisha kwa mizigo ya bawa iliyowastanishwa kwa mzunguko, athari za ndani na za mara kwa mara kama kivuli cha mnara, mtiririko kuzunguka nacelle na mwingiliano wa bawa na mnara hazipo katika matokeo.

Eneo la hesabu liliundwaje?

Eneo la mtiririko liligawanywa katika maeneo matatu ya mwendo:

1. Eneo la mbali: Eneo la nje la hesabu lililowekwa.
2. Eneo la mwendo wa angulari: Eneo la duara linalowakilisha pitch ya jukwaa na kubeba rota pamoja na nacelle.
3. Eneo la mzunguko wa rota: Eneo la silinda linalowezesha mabawa kuzunguka mhimili wa rota.

Vipimo vya eneo la mbali viliwekwa kuwa 15D × 10D × 10D kwa kutumia kipenyo cha rota D. Rota iliwekwa 5D kutoka mpaka wa kuingilia na 10D kutoka mpaka wa kutoka. Kipenyo cha eneo la mwendo wa angulari ni 4D, na kipenyo cha eneo la mzunguko wa rota ni 1,5D. Kituo cha pitch ya jukwaa kilifafanuliwa kuwa mita 90 chini ya nacelle.

Kielelezo 3 kwenye ukurasa wa 5 wa PDF kinaonyesha mpaka wa kuingilia mbele ya rota, mpaka wa kutoka nyuma ya rota na maeneo ya mwendo wa duara na mzunguko yaliyowekwa ndani kwa ndani. Kielelezo 4 kwenye ukurasa huo huo kinaonyesha mesh ya ujazo iliyosongeshwa karibu na rota na seli za tabaka la mpaka zilizoundwa kwenye uso wa profaili.

Sifa za mesh ya kihesabu ni zipi?

Mesh ya ujazo iliundwa kwa kutumia snappyHexMesh ndani ya OpenFOAM. Tabaka 10 za mpaka zilitumika kwenye uso wa bawa, uwiano wa ukuaji wa tabaka ukachaguliwa kuwa 1,1 na urefu wa seli ya kwanza kuwa mita 0,002. Lengo la umbali usio na kipimo karibu na ukuta lilikuwa takribani 30-300. Kwa sababu ya masafa haya, modeli ya SST \(k-\omega\) ilitumika kwa kutumia wall functions.

Msongamano minne ya mesh ililinganishwa:

Ingawa Mesh 3 ilitoa matokeo yaliyo karibu zaidi na mesh nyembamba zaidi, Mesh 2 yenye seli milioni 10,07 ilitumika katika uchambuzi uliofuata kwa sababu ya usawa kati ya gharama ya hesabu na usahihi. Uchaguzi huu unamaanisha kwamba tofauti inayotokana na mesh ya takribani asilimia 1,2 katika nguvu na msukumo ilikubaliwa.

Milinganyo ya mtiririko

Milinganyo ya Reynolds-averaged Navier-Stokes isiyobanika na inayotegemea muda ilitatuliwa kwa kutumia solver ya pimpleFoam ndani ya OpenFOAM.

Uhifadhi wa wingi:

\[ \frac{\partial \bar{u}_i}{\partial x_i}=0 \]

Hapa \(\bar{u}_i\) ni sehemu ya kasi ya wastani kwa mita/sekunde. Mlinganyo unaeleza kuwa katika mtiririko usiobanika, mtiririko wa ujazo unaoingia na kutoka katika seli uko katika usawa.

Uhifadhi wa momentum:

\[ \frac{\partial \bar{u}_i}{\partial t}+ \frac{\partial(\bar{u}_j\bar{u}_i)}{\partial x_j} =-\frac{1}{\rho}\frac{\partial\bar{p}}{\partial x_i} +\frac{\partial}{\partial x_j} \left[2\nu\bar{s}_{ij}-\overline{u'_j u'_i}\right] \]

• \(\rho\): Msongamano wa hewa.
• \(\bar p\): Shinikizo la wastani.
• \(\nu\): Mnato wa kinematiki.
• \(-\overline{u'_j u'_i}\): Reynolds stress inayowakilisha usafirishaji wa momentum unaosababishwa na mabadiliko ya kasi ya turbulensi.
• \(\bar s_{ij}\): Tensor ya kasi ya wastani ya deformation.

Kasi ya wastani ya deformation:

\[ \bar{s}_{ij}=\frac{1}{2} \left(\frac{\partial\bar{u}_i}{\partial x_j} +\frac{\partial\bar{u}_j}{\partial x_i}\right) \]

Modeli ya turbulensi ya SST \(k-\omega\)

Modeli ya SST \(k-\omega\) ilitumika kwa kufunga turbulensi. Modeli hutatua milinganyo miwili ya usafirishaji kwa nishati ya kinetiki ya turbulensi \(k\) na kiwango mahususi cha dissipation \(\omega\).

\[ \frac{\partial \rho k}{\partial t} +\frac{\partial(\rho\bar{u}_j k)}{\partial x_j} =P_k-\beta^{*}\rho\omega k +\frac{\partial}{\partial x_j} \left[(\mu+\sigma_k\mu_t)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right] \]

\[ \frac{\partial\rho\omega}{\partial t} +\frac{\partial(\rho\bar{u}_j\omega)}{\partial x_j} =\gamma P_\omega-\beta\rho\omega^2 +2\rho(1-F_1)\sigma_{\omega2} \frac{1}{\omega} \frac{\partial k}{\partial x_j} \frac{\partial\omega}{\partial x_j} +\frac{\partial}{\partial x_j} \left[(\mu+\sigma_\omega\mu_t) \frac{\partial\omega}{\partial x_j}\right] \]

\(P_k\) na \(P_\omega\) zinaonyesha vigezo vya uzalishaji wa turbulensi; \(\mu_t\), mnato wa turbulensi; na \(F_1\), fungsi ya kuchanganya inayowezesha modeli kubadili kati ya tabia za karibu na ukuta na eneo la mbali.

Masharti ya mipaka na utatuzi wa muda

• Kuingilia: Kuingilia kwa kasi thabiti ya 11,4 m/s.
• Kutoka: Kutoka kwa shinikizo.
• Eneo la mbali: Mpaka wa free-slip.
• Mabawa na hub: Ukuta wenye sharti la no-slip.
• Kasi ya rota: 12,1 dev/dakika.
• Hatua ya muda halisi: Muda unaolingana na kila 1° ya mzunguko wa azimuth wa rota.
• Kila hatua halisi: Iteration 20 za ndani za muda.
• Residual ya convergence: \(10^{-6}\).

Simuleringi iliendeshwa kwanza kwa mizunguko 20 ya rota bila mwendo wa jukwaa. Baada ya kupata mtiririko wa kuanzia ulio thabiti na wa mara kwa mara, mwendo wa jukwaa ulitumika, mizunguko mingine 11 ya rota ikahesabiwa na matokeo ya mizunguko minne ya mwisho yakachambuliwa.

Convergence ya mesh ilipimwaje?

Grid Convergence Index ilitumika kutathmini kama mabadiliko ya jamaa kati ya matokeo ya mesh tofauti yanapungua kadiri mesh inavyosafishwa:

\[ GCI_{ij}=F_s\frac{|\varepsilon_{ij}|}{r^p-1}\times100\% \]

• \(F_s\): Mgawo wa usalama.
• \(\varepsilon_{ij}\): Tofauti ya jamaa kati ya suluhisho mbili za mesh.
• \(r\): Uwiano wa usafishaji wa mesh.
• \(p\): Kiwango kilichoonekana cha convergence.

Kupungua kwa thamani ya GCI kutoka asilimia 2,0968 hadi asilimia 0,0156 kutoka Mesh 1 hadi Mesh 3 kunaunga mkono kwamba matokeo ya mesh yalikonverji kwa namna ya monotonic.

Mbinu ya kihesabu ilithibitishwaje?

Uthibitishaji ulifanywa katika viwango vinne:

1. Uhuru wa mesh: Idadi nne tofauti za seli zililinganishwa.
2. Kasi tofauti za upepo: Mstari wa nguvu wa Mesh 2 ulilinganishwa na ripoti ya rejea ya NREL.
3. Mwendo wa jukwaa: Mikunjo ya nguvu na msukumo katika hali ya pitch ya 4° na 0,1 Hz ililinganishwa na matokeo ya awali ya CFD, free vortex na BEM.
4. Ujumuishaji wa nguvu za profaili: Migawo ya kuinua, drag na moment ya profaili ya S809 iliyohesabiwa kutoka shinikizo ilijaribiwa dhidi ya data ya majaribio.

Kielelezo 5(c) kwenye ukurasa wa 7 wa PDF kinaonyesha kwamba curve ya nguvu iliyohesabiwa iko karibu na ripoti ya NREL katika eneo la kasi iliyokadiriwa. Katika Kielelezo 6, mabadiliko ya nguvu ya mbinu ya sasa ya CFD hubadilika kwa karibu na tafiti zilizopita, huku katika curve ya msukumo kukiwa na tofauti kubwa zaidi za ukubwa kati ya mbinu. Kwa hiyo waandishi waliripoti ulinganifu mzuri wa kiasi kwa nguvu na mwelekeo wa jumla unaofanana kwa msukumo.

Katika grafu za uthibitishaji za S809, thamani zilizohesabiwa na zile zilizopatikana kwa ujumuishaji wa shinikizo ziko karibu. Pointi za majaribio zinafuata mwelekeo wa jumla katika pembe ndogo na za kati za mashambulizi, huku baada ya stall katika pembe kubwa za mashambulizi kukiwa na mtawanyiko na tofauti zilizo wazi zaidi.

Migawo ya nguvu za profaili ilitolewaje?

Shinikizo la uso wa sehemu ya bawa liliunganishwa kihesabu kuzunguka profaili. Migawo ya nguvu ya kawaida na tangentiali ilihesabiwa kama ifuatavyo:

\[ C_N=\sum_{i=1}^{N} \left(\frac{C_{p_i}+C_{p_{i+1}}}{2}\right) (x_{i+1}-x_i) \]

\[ C_T=\sum_{i=1}^{N} \left(\frac{C_{p_i}+C_{p_{i+1}}}{2}\right) (y_{i+1}-y_i) \]

\(x_i\) na \(y_i\) ni koordinati za nodi kwenye profaili zilizonormalishwa kwa urefu wa chord. Migawo ya kawaida na tangentiali ilibadilishwa kuwa vipengele vya kuinua \(C_L\) na drag \(C_D\) kwa kutumia pembe ya mashambulizi yenye ufanisi. Mgawo wa moment kuzunguka robo ya chord pia ulipatikana kutoka ujumuishaji huo huo wa shinikizo.

Pembe ya mashambulizi yenye ufanisi iliamuliwaje?

Katika bawa linalozunguka, kutumia moja kwa moja “pembe ya free stream” haitoshi kwa sababu ya kasi iliyosababishwa na kasi za mwendo. Utafiti ulitumia mbinu ya pointi tatu yenye jumla ya pointi sita za ufuatiliaji wa kasi juu na chini ya profaili.

\[ \alpha=\varphi-(\theta+\beta) =\tan^{-1} \left(\frac{U_{mn}+U_p}{\omega r+U_{mt}}\right) -(\theta+\beta) \]

• \(\alpha\): Pembe ya mashambulizi yenye ufanisi.
• \(\varphi\): Pembe ya mtiririko.
• \(\theta\): Pembe ya twist ya ndani ya bawa.
• \(\beta\): Pembe ya pitch ya bawa.
• \(U_{mn}\): Sehemu ya kasi ya wastani iliyo kawaida kwa ndege ya rota.
• \(U_{mt}\): Sehemu ya kasi ya wastani ya tangentiali.
• \(U_p\): Kasi ya ndani ya bawa inayotokana na mwendo wa jukwaa.
• \(\omega r\): Kasi ya mzunguko ya sehemu ya bawa.

Katika Kielelezo 9 kwenye ukurasa wa 9 wa PDF, inaonekana kwamba mbinu za CFD, BEM na free vortex hutoa pembe zinazofanana za mashambulizi katika sehemu kubwa ya bawa. Hata hivyo, katika sehemu ya ndani zaidi karibu 0,2R, matokeo ya FVM ni karibu 22°, huku matokeo ya CFD yakiwa karibu 13-14°. Kwa hiyo, ulinganifu ni mkubwa katika sehemu nyingi za bawa na dhaifu zaidi katika sehemu ya ndani kabisa.

Mwendo wa pitch wa jukwaa ulifafanuliwaje?

Mwendo wa angulari wa jukwaa ulidhaniwa kuwa sinusoidal. Pembe ya jukwaa:

\[ \theta_p(t)=A_p\sin(2\pi f_p t) \]

Kasi ya angulari:

\[ \omega_p(t)=2\pi f_pA_p\cos(2\pi f_p t) \]

Hapa \(A_p\) inaonyesha amplitudo ya mwendo katika radiani katika hesabu, na \(f_p\) inaonyesha masafa ya mwendo katika Hz. Thamani za jedwali zimetolewa kwa digrii.

Masafa ya 0,1 Hz yanamaanisha kwamba mwendo wa jukwaa una kipindi cha sekunde 10.

Kasi linganishi ya upepo wa rota ilitolewaje?

Sehemu ya upepo wa angahewa iliyo wima kwa ndege ya rota inategemea pembe ya jukwaa:

\[ u_{0n}=u_0\cos\theta_p =u_0\cos\left(A_p\sin(2\pi f_pt)\right) \]

Kasi ya mstari ya kituo cha rota inayotokana na mzunguko wa jukwaa:

\[ u_p=\omega_pH =2\pi f_pA_p\cos(2\pi f_pt)H \]

Nafasi za azimuth za mabawa matatu:

\[ \varphi_i=\omega t-\frac{2\pi}{3}(i-1), \qquad i=1,2,3 \]

Umbali wa kila sehemu kutoka kituo cha mzunguko wa jukwaa:

\[ H_i=H+r\cos\varphi_i \]

Kasi ya ndani ya mwendo wa jukwaa:

\[ u_{p,i}=\omega_pH_i \]

Kasi linganishi ya upepo wa rota ya ndani:

\[ u_{prel,i}=u_{0n}+u_{p,i} \]

Mlinganyo huu unaonyesha kwamba mabawa matatu yaliyo katika nafasi tofauti za azimuth kwa wakati mmoja huathiriwa kwa viwango tofauti na mwendo wa jukwaa. Kwa sababu ya awamu yake ya kuanzia, Bawa 1 lilipata mabadiliko makubwa zaidi ya kasi linganishi na uchambuzi wa kina wa mizigo ulifanywa kwenye bawa hili.

Kwa nini mwendo wa jukwaa huathiri nguvu ya wastani na msukumo kwa njia tofauti?

Utafiti ulitumia mahusiano ya msingi ambapo msukumo wa rota hupimwa kwa mraba wa kasi ya upepo, na nguvu kwa mchemraba wa kasi ya upepo:

\[ T\propto \frac{1}{2}\rho AC_Tu_0^2\cos^2\theta_p \]

\[ P\propto \frac{1}{2}\rho AC_Pu_0^3\cos^3\theta_p \]

Pembe ya jukwaa hupunguza eneo la makadirio lenye ufanisi la rota. Kinyume chake, kasi ya jukwaa husababisha mabadiliko yenye wastani sifuri lakini amplitudo kubwa katika upepo linganishi.

Kasi linganishi inapowakilishwa kama \(\bar u+\Delta u(t)\), makadirio ya daraja la pili ni:

\[ \langle T\rangle =K_T\bar{u}^{2} \left(1+\frac{\langle(\Delta u)^2\rangle}{\bar{u}^{2}}\right) \]

\[ \langle P\rangle =K_P\bar{u}^{3} \left(1+3\frac{\langle(\Delta u)^2\rangle}{\bar{u}^{2}}\right) \]

Mchango wa mabadiliko kwa nguvu ni karibu mara tatu zaidi kuliko kwa msukumo. Kwa hiyo, upotevu unaotokana na kuinama kwa ndege ya rota unabaki mkubwa katika msukumo wa wastani, huku athari isiyo ya mstari ya mabadiliko ya kasi inaweza kuongeza nguvu ya wastani.

Matokeo ya nguvu na msukumo wa rota

Wakati amplitudo iliongezeka kutoka digrii moja hadi digrii nane, nguvu ya wastani iliongezeka kwa takribani asilimia 20,6, huku msukumo wa wastani ukipungua kwa takribani asilimia 6,0. Hata hivyo, thamani za wastani peke yake hazionyeshi ukali halisi wa mizigo ya mfumo. Katika hali ya digrii nane, nguvu ilibadilika katika wigo wa takribani 15,47 MW na msukumo katika wigo wa takribani 1.039,76 kN.

Kielelezo 11 kinaonyesha nini?

Katika Kielelezo 11, mhimili mlalo unaonyesha muda kwa sekunde, huku mhimili wima ukionyesha msukumo kwa kN katika grafu ya kushoto na nguvu kwa kW katika grafu ya kulia.

• Mstari mweusi wa mlalo unawakilisha hali ya jukwaa thabiti.
• Pembetatu nyekundu zinaonyesha mwendo wa 1°.
• Duara za bluu zinaonyesha mwendo wa 4°.
• Mraba wa machungwa unaonyesha mwendo wa 8°.

Grafu zinaonyesha mizunguko miwili ya mwendo ndani ya sekunde 20; hii inaendana na masafa ya jukwaa ya 0,1 Hz. Kadiri amplitudo inavyoongezeka, vilele na mabonde ya mikunjo hupanuka kwa kasi. Curve ya nguvu ya digrii nane hushuka chini ya sifuri katika sehemu ya mzunguko yenye kasi linganishi ya chini.

Hakuna error bars, confidence intervals au mtawanyiko wa majaribio katika grafu. Mikunjo ni matokeo ya mara kwa mara ya suluhisho la CFD la deterministiki.

Mizigo kando ya bawa ilibadilika vipi?

Kielelezo 12 kinaonyesha mizigo ya kawaida na tangentiali kwa kila mita dhidi ya nafasi ya \(r/R\) iliyotawazwa kwa radiusi ya bawa kwa Blade 1. Nyakati nne za mwendo zililinganishwa:

• Nafasi 1: Kasi ya juu zaidi ya jukwaa na kasi ya juu zaidi ya upepo linganishi wa rota.
• Nafasi 3: Pembe ya juu zaidi ya jukwaa; kasi ya jukwaa iko karibu na sifuri.
• Nafasi 5: Kasi ya juu zaidi ya jukwaa katika mwelekeo wa kinyume na kasi ya chini zaidi ya upepo linganishi wa rota.
• Nafasi 7: Pembe ya chini zaidi ya jukwaa; kasi ya jukwaa iko karibu na sifuri.

Katika Nafasi 1, mizigo ya kawaida na tangentiali ni ya juu kuliko turbine thabiti, na katika Nafasi 5 ni ya chini. Katika Nafasi 3 na 7, kwa sababu kasi ya papo hapo ya jukwaa iko karibu na sifuri, usambazaji wa mizigo hukaribia zaidi turbine thabiti.

Kwa mwendo wa digrii moja, mikunjo ya mizigo hubadilika kwa kiasi kidogo kuzunguka hali thabiti. Katika hali za digrii nne na nane, mikunjo ya Nafasi 1 huongezeka sana katika sehemu kubwa ya bawa. Katika Nafasi 5 ya digrii nane, mzigo wa kawaida kati ya takribani 0,1R-0,5R na mzigo tangentiali katika eneo pana la ndani-kati hushuka chini ya sifuri.

Upeo wa mtiririko wa radiali ulipimwaje?

Utafiti ulitumia mistari ya mtiririko wa mpaka kwenye uso wa suction kupima umbali wa span unaofikiwa na mtiririko wa radiali kando ya bawa na urefu wa chord wa mtiririko uliotengana katika sehemu ya 0,1865R.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba, kutegemea mwelekeo wa mwendo wa jukwaa, ndani ya mzunguko huo huo bawa linaweza kubadilika kutoka mtiririko karibu kabisa wa pande tatu hadi mtiririko kwa kiasi kikubwa wa pande mbili.

Mistari ya mtiririko wa uso katika Kielelezo 13 na Kielelezo 14

Kielelezo 13 kinaonyesha mistari ya mtiririko kwenye uso wa suction wa bawa bila mwendo wa jukwaa. Mistari katika eneo la mzizi hukengeuka kutoka mwelekeo wa chord na kusonga kuelekea nje, na mtiririko wa radiali unaenea hadi takribani 0,3455R.

Katika Kielelezo 14, Nafasi 1, 3, 5 na 7 zinaonyeshwa kando kwa kila amplitudo ya mwendo. Usambazaji wa rangi unawakilisha maeneo ya uso yanayobadilika kutoka mzizi hadi ncha, huku mistari nyeusi ya mtiririko ikiwakilisha mwelekeo wa tabaka la mpaka.

Katika picha za Nafasi 1 za digrii nne na nane, mistari ya radiali inayoanza kwenye mzizi hufikia ncha ya bawa. Katika picha ya Nafasi 5 ya digrii nane, mtiririko wa radiali unabaki tu katika eneo la 0,1495R karibu sana na mzizi, huku uso uliobaki wa bawa ukionyesha mtiririko zaidi katika mwelekeo wa chord.

Nguvu za inertia katika mifumo miwili inayozunguka ya marejeo

Kielelezo 15 kinaonyesha mielekeo ya nguvu kwenye Blade 1 wakati rota inaposogea kuelekea upepo na inaposogea nyuma katika mwelekeo wa upepo.

Wakati wa kusogea kuelekea upepo:

• Kasi linganishi ya upepo wa rota huongezeka.
• Gradiyenti ya shinikizo kutoka mzizi hadi ncha huimarika.
• Athari ya Coriolis ya mwendo wa jukwaa huchangia kupanuka kwa mtiririko wa radiali.
• Mtiririko uliotengana unaweza kuenea kando ya bawa lote.

Wakati wa kusogea nyuma katika mwelekeo wa upepo:

• Kasi linganishi ya upepo wa rota hupungua.
• Gradiyenti ya shinikizo ya radiali hudhoofika.
• Nguvu ya Coriolis inayotokana na jukwaa hutenda katika mwelekeo unaokandamiza kutengana.
• Eneo la mtiririko wa pande tatu hupungua kuelekea mzizi wa bawa.

Ni sehemu zipi za bawa zilizochunguzwa kwa undani?

Kwa kila sehemu tatu, simuleringi ya profaili ya pande mbili ilifanywa katika pembe sawa ya mashambulizi yenye ufanisi na namba sawa ya Reynolds. Eneo la pande mbili lilikuwa na ukubwa wa 30c × 20c na takribani seli 160.000. Kwa njia hii, sehemu ya bawa ya pande tatu ililinganishwa na profaili hiyo hiyo isiyozunguka ya pande mbili.

Athari ya pande tatu katika sehemu ya ndani ya bawa ya 0,1865R

Hata bila mwendo wa jukwaa, kilele cha shinikizo la chini kwenye uso wa suction katika sehemu ya pande tatu ni kikubwa kuliko katika profaili ya pande mbili. Kutengana kwa mtiririko hucheleweshwa kwa takribani 0,1c na eneo la kutengana hupungua.

Kulingana na Jedwali la Nyongeza D, katika hali thabiti:

• Mgawo wa nguvu ya kawaida ni 0,4481 katika 2D na 1,3148 katika 3D: ongezeko la takribani asilimia 193.
• Mgawo wa nguvu tangentiali ni 0,1020 katika 2D na 0,6077 katika 3D: ongezeko la takribani asilimia 495.

Katika Nafasi 1 ya digrii nne, mgawo wa nguvu ya kawaida wa pande tatu ni 1,6622, na thamani yake ya pande mbili ni 0,6207. Katika digrii nane, thamani ya 3D ni 1,8974, na thamani ya 2D ni 0,7892.

Kadiri amplitudo ya mwendo ilivyoongezeka, kilele cha shinikizo la chini kwenye uso wa suction kilisogea karibu na ukingo wa mbele, na mtiririko wa radiali ulirudisha kiowevu chenye kasi kubwa kilichotengana kwenye tabaka la mpaka. Uvutaji huu wa vortex uliichelewesha pressure recovery na kuunda eneo pana zaidi la mtiririko ulioshikamana.

Hali ya propela ilitokea lini?

Katika awamu ya Nafasi 5 ya mwendo wa digrii nane, pembe ya mashambulizi yenye ufanisi ya sehemu ya 0,1865R ilishuka hadi takribani -8,09°. Shinikizo kwenye upande uliofafanuliwa kuwa uso wa suction kuwa juu kuliko upande wa pili kuligeuza mwelekeo wa nguvu ya aerodinamiki ya ndani.

Katika usambazaji wa mzigo wa bawa, mzigo hasi wa kawaida na tangentiali pia unaonekana katika eneo hilo. Watafiti waliita rejimu hii “propeller state”, yaani hali ya propela. Katika hali hii, sehemu ya bawa badala ya kuchukua nishati kutoka upepo hupeleka nishati kwenye mtiririko.

Kushuka kwa muda mfupi kwa nguvu ya rota ya digrii nane hadi -797,76 kW katika Jedwali 3 kunaunga mkono kwamba hali ya propela ya ndani inaweza pia kugeuza uzalishaji wa nishati katika kiwango cha rota.

Nini kilitokea katika sehemu ya 0,3167R?

Sehemu hii iko karibu na eneo ambako mtiririko wa radiali huisha katika hali thabiti. Wakati jukwaa liliposogea kwa kasi zaidi kuelekea upepo, mtiririko wa radiali ulipanuka hadi sehemu hii na maeneo ya nje zaidi.

Katika Nafasi 1 ya digrii nne, mwanzo wa kutengana kwenye uso wa suction ulibadilika pamoja na eneo la gradiyenti ya shinikizo inayofaa karibu na asilimia 50 ya chord, na katika digrii nane karibu na asilimia 40 ya chord. Katika eneo refu la kutengana ambalo halikuwa limetoka kabisa kwenye uso, mtiririko wa radiali uliongeza shinikizo hasi karibu na ukingo wa nyuma.

Katika Nafasi 1 ya digrii nane:

• Mgawo wa nguvu ya kawaida wa 2D ni 1,1254, na thamani ya 3D ni 1,7430: ongezeko la asilimia 54,88.
• Mgawo wa nguvu tangentiali wa 2D ni 0,4794, na thamani ya 3D ni 0,9570: ongezeko la asilimia 99,63.

Katika Nafasi 5 ya digrii nane, sehemu hii pia iliingia katika hali ya propela inayozalisha msukumo hasi.

Athari ya pande tatu katika sehemu ya kati ya 0,6421R

Katika sehemu hii, mtiririko wa turbine thabiti kwa kiasi kikubwa ni wa pande mbili. Hata hivyo, athari za sentrifugo na Coriolis za rota zinaendelea kubadilisha usambazaji wa shinikizo ndani ya tabaka la mpaka.

Katika Nafasi 1 za digrii nne na nane, kwa sababu mtiririko wa radiali ulienea kwenye bawa lote, ishara za pande tatu pia zilionekana katika sehemu hii. Katika digrii nne, eneo dogo la gradiyenti ya shinikizo inayofaa lilitokea kwenye uso wa suction karibu na asilimia 80 ya chord, na katika digrii nane karibu na asilimia 55 ya chord.

Katika hali ya digrii nane, kulikuwa na kuviringika dhahiri kwa vortex kwenye ukingo wa nyuma na plateau ya shinikizo karibu na asilimia 70-90 ya chord. Hata hivyo, ongezeko la nguvu lilikuwa dogo kuliko katika sehemu za ndani:

• Mgawo wa nguvu ya kawaida: kutoka 1,3925 hadi 1,5239, ongezeko la takribani asilimia 9,44.
• Mgawo wa nguvu tangentiali: kutoka 0,3968 hadi 0,4214, ongezeko la takribani asilimia 6,19.

Picha za shinikizo, kasi na vortex zinaeleza nini?

Katika Vielelezo 16, 18 na 19, grafu za safu ya kushoto zinaonyesha shinikizo kuzunguka profaili dhidi ya nafasi ya chord. Mhimili mlalo \(x/c\) ni nafasi iliyotawazwa kutoka ukingo wa mbele hadi ukingo wa nyuma. Katika picha za rangi upande wa kulia, maeneo ya bluu yanawakilisha kasi ndogo na maeneo ya nyekundu kasi kubwa.

Kwa kila hali, sehemu ya pande mbili iko katika mstari wa juu na sehemu ya pande tatu katika mstari wa chini. Katika sehemu za pande tatu, umbo la bubble ya kutengana, uharakishaji kwenye uso wa suction na tabia ya kushikamana upya hutofautiana na profaili ya pande mbili.

Katika Kielelezo 17, maeneo ya nyekundu na manjano kwenye mandharinyuma ya bluu yanaonyesha ukubwa mkubwa wa vortex. Katika sehemu za pande tatu, muundo wa vortex uliotengana unaweza kuwa mfupi zaidi, uliogawanyika na karibu zaidi na uso kuliko katika sehemu za pande mbili. Muonekano huu unaunga mkono tafsiri kwamba usafirishaji wa radiali hupanga upya vortex ya kutengana katika mwelekeo wa chord.

Picha zinaonyesha nyakati za mtiririko wa deterministiki. Hakuna kipimo huru cha majaribio cha ukubwa au maudhui ya nishati ya vortex.

Kutengana kwa mtiririko kulicheleweshwa kwa kiasi gani?

Jedwali la Nyongeza C linalinganisha nafasi za kutengana za profaili za pande mbili na pande tatu katika Nafasi 1. Katika sehemu za ndani, nafasi ya kutengana ya pande tatu iko nyuma zaidi:

Ingawa safu za \(\delta\) katika jedwali zimepewa alama ya asilimia, thamani hizo zinahusiana zaidi na tofauti kamili ya nafasi katika pointi za asilimia za urefu wa chord kuliko ongezeko la asilimia la jamaa. Kwa mfano, mabadiliko kutoka 0,4000c hadi 0,4200c ni asilimia 5 kwa jamaa, lakini pointi 2 za asilimia kwa sehemu kamili ya chord; jedwali linatoa thamani 1,9994.

Katika sehemu ya 0,6421R, kwa sababu kutengana mpya kwa sehemu kulijitokeza kwa mwendo mkubwa, pointi ya kutengana ya pande tatu katika baadhi ya hali ilihamia mbele zaidi kuliko thamani ya pande mbili. Hii inaonyesha kwamba athari ya pande tatu haicheleweshi stall kila wakati katika kila sehemu, bali inaweza kutoa matokeo tofauti kulingana na hali ya awali ya mtiririko.

Vitanzi vya histeresis ya kuinua vilibadilika vipi?

Katika Kielelezo 20, mhimili mlalo unaonyesha pembe ya mashambulizi yenye ufanisi kwa digrii na mhimili wima unaonyesha mgawo wa kuinua \(C_L\). Rangi tofauti zinawakilisha mwendo wa jukwaa wa 1°, 4° na 8°; alama zilizojaa na zisizojaa zinawakilisha awamu za kuongezeka na kupungua kwa kasi linganishi ya upepo.

Katika sehemu za 0,1865R na 0,3167R, vitanzi vinaenda kinyume cha saa. Wakati upepo linganishi na pembe ya mashambulizi vinaongezeka, kuinua ni chini kuliko thamani katika awamu ya kupungua kwa pembe hiyo hiyo ya mashambulizi.

Utaratibu uliopendekezwa wa tabia hii ni kama ifuatavyo:

1. Wakati pembe ya mashambulizi inaongezeka, eneo la kutengana huongezeka.
2. Kwa sababu ya inertia ya mtiririko, miundo ya kutengana na vortex hufuata pembe ya mashambulizi kwa kuchelewa.
3. Wakati pembe ya mashambulizi inapungua, mtiririko wa radiali huimarisha mtiririko wa mwelekeo wa chord.
4. Mtiririko uliotengana hushikamana upya haraka zaidi kuliko katika profaili ya pande mbili.
5. Katika awamu ya kupungua ya pembe hiyo hiyo ya mashambulizi, kuinua hubaki juu zaidi.

Katika sehemu ya 0,6421R, kwa amplitudo ndogo ya mwendo kitanzi ni cha saa. Kadiri mwendo unavyoongezeka, mtiririko wa radiali hufika katika sehemu hii, hivyo kitanzi hupoteza umbo lake safi la saa na mikunjo huvukana katika awamu tofauti.

Je, athari za pande tatu huzuia dynamic stall kabisa?

Hapana. Utafiti unaonyesha kwamba mtiririko wa radiali wa pande tatu katika baadhi ya hali za sehemu za ndani za bawa huchelewesha kutengana, hupunguza eneo la kutengana na kukandamiza athari ya dynamic stall. Hata hivyo, katika amplitudo kubwa za mwendo, wigo wa pembe ya mashambulizi hupanuka na kutengana kali pamoja na hali ya propela pia hutokea.

Kwa hiyo, athari za pande tatu si marekebisho ya kudumu yanayoboresha utendaji wa aerodinamiki katika kila hali. Mwelekeo wa athari hutegemea awamu ya mwendo wa jukwaa, sehemu ya bawa, pembe ya mashambulizi na upeo wa mtiririko wa radiali.

Damping ya aerodinamiki ilihesabiwaje?

Damping ya aerodinamiki ya sehemu ilihesabiwa kutoka kazi halisi iliyofanywa na moment ya pitch ya aerodinamiki katika mzunguko wa mwendo:

\[ \Xi=-\frac{C_W}{\pi\alpha_p^2} =-\frac{1}{\pi\alpha_p^2}\oint C_m\,d\alpha \]

• \(\Xi\): Mgawo usio na kipimo wa damping ya aerodinamiki.
• \(C_W\): Mgawo wa kazi ya aerodinamiki katika mzunguko mmoja.
• \(\alpha_p\): Amplitudo ya osilesheni ya pembe ya mashambulizi.
• \(C_m\): Mgawo wa moment ya pitch ya aerodinamiki.

PDF inaweka tena namba ya mlinganyo huu kama “Mlinganyo 18”. Hata hivyo, mahusiano ya msukumo na nguvu ya rota yalipewa awali namba 18-21. Kwa hiyo, kuna urudiaji wa namba ya mlinganyo katika waraka.

Matokeo ya damping ya aerodinamiki

Thamani zote ni chanya; kwa hiyo, katika hali zilizochunguzwa hakuna damping hasi ya aerodinamiki ya moja kwa moja au osilesheni isiyo thabiti inayojiongeza yenyewe iliyohesabiwa.

Hata hivyo, kutoka 1° hadi 8°:

• Damping katika sehemu ya 0,1865R ilipungua kwa takribani asilimia 35.
• Damping katika sehemu ya 0,3167R ilipungua kwa takribani asilimia 75.
• Damping katika sehemu ya 0,6421R ilipungua kwa takribani asilimia 98,7.

Thamani ya 0,6421R kukaribia 0,00162 inaonyesha kwamba akiba ya usalama ya damping ya aerodinamiki katika eneo la kati la span karibu imetoweka. Tafsiri ya waandishi kuhusu kuongezeka kwa hatari ya mtetemo unaojichochea yenyewe inategemea upungufu huu.

Kwa sababu utafiti haukutatua mwendo wa bawa lenye elasticity, hauonyeshi kwamba mtetemo halisi umeanza au kuongezeka. Matokeo ya damping ya aerodinamiki yanapaswa kutathminiwa pamoja na modi za kimuundo, damping ya nyenzo na coupling ya aeroelastic.

Nguvu za utafiti ni zipi?

• Modeli ya CFD ya pande tatu yenye takribani seli milioni 10 iliyotatua moja kwa moja jiometri ya bawa ilitumika.
• Mzunguko wa rota na mwendo wa angulari wa jukwaa viliundwa pamoja kwa maeneo ya mesh yanayoteleza yaliyowekwa ndani kwa ndani.
• Uhuru wa mesh na urefu wa eneo la hesabu vilichunguzwa tofauti.
• Curve ya nguvu ililinganishwa na data ya rejea ya NREL.
• Matokeo ya mwendo wa jukwaa yalilinganishwa na mbinu kadhaa zilizopita.
• Ujumuishaji wa nguvu za profaili ulijaribiwa dhidi ya data ya majaribio ya S809.
• Mizigo ya bawa ilichunguzwa sio tu kama jumla ya rota bali pia kando ya span.
• Sehemu tatu za bawa zililinganishwa na profaili za pande mbili katika pembe sawa ya mashambulizi.
• Mistari ya mtiririko wa uso, shinikizo, kasi na maeneo ya vortex vilitathminiwa kwa pamoja.
• Upeo wa mtiririko wa radiali na ongezeko la nguvu vilipimwa kwa jedwali za namba.
• Uchambuzi wa vitanzi vya histeresis na damping ya aerodinamiki ulifanywa.

Mapungufu ya utafiti ni yapi?

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitia tathmini ya rika.
• Matokeo yanategemea simuleringi ya URANS-CFD, si turbine halisi au jaribio la handaki la upepo.
• Ni jiometri ya turbine ya NREL 5 MW pekee iliyotathminiwa.
• Kasi ya upepo ya 11,4 m/s na kasi ya rota thabiti ya 12,1 dev/dakika pekee zilitumika.
• Mwendo wa jukwaa umewekewa mipaka ya pitch za 1°, 4° na 8° katika masafa ya 0,1 Hz.
• Mienendo ya surge, heave, roll, yaw na sway haikuundwa pamoja.
• Mwendo wa jukwaa haukutolewa kutoka modeli ya hidrodinamiki bali ulitumika kama mwendo sinusoidal uliofafanuliwa mapema.
• Mawimbi, mikondo, mfumo wa mooring na hidrodinamiki ya jukwaa hazikujumuishwa katika modeli ya CFD.
• Mnara ulipuuzwa kabisa, na hub pamoja na nacelle zilirahisishwa.
• Mabawa yalidhaniwa kuwa magumu; hakuna kupinda, torsion au mrejesho wa aeroelastic.
• Mfumo hai wa udhibiti wa kasi ya rota na pitch ya bawa haukuundwa.
• Modeli ya SST \(k-\omega\) URANS na wall functions haiwezi kutatua mizani yote ya muda ya mtiririko uliotengana wa pande tatu.
• Mesh 2 iliyochaguliwa ina tofauti ya takribani asilimia 1,2 katika matokeo ya nguvu na msukumo dhidi ya mesh nyembamba zaidi.
• Katika uthibitishaji wa mwendo wa jukwaa, ulinganifu wa nguvu ni mkubwa, lakini kuna tofauti wazi zaidi katika ukubwa wa msukumo.
• Mbinu za kutoa pembe ya mashambulizi hutofautiana kwa kiasi kikubwa katika sehemu ya ndani kabisa ya bawa.
• Damping ya aerodinamiki ilihesabiwa, lakini mtetemo halisi wa kimuundo au uchambuzi wa uthabiti wa aeroelastic haukufanywa.
• Matokeo ya mzigo hayakubadilishwa kuwa hesabu za maisha ya uchovu, stress au uharibifu wa nyenzo.
• Ni mizunguko minne ya mwisho ya rota pekee iliyochambuliwa; hali za muda mrefu za bahari isiyo na mpangilio na angahewa yenye turbulensi hazikutathminiwa.
• Hakuna uncertainty, repetition, standard deviation au confidence interval katika grafu.
• Inaonekana kwamba safu za mabadiliko zilizo na alama ya asilimia katika Jedwali la Nyongeza C zinawakilisha zaidi tofauti ya pointi za asilimia za chord kuliko asilimia za jamaa.
• Namba ya mlinganyo wa damping ya aerodinamiki inagongana na Mlinganyo 18 uliotumika mapema katika waraka.

Utafiti unaunga mkono nini?

• Pitch ya jukwaa husababisha nguvu ya rota na msukumo kuosileti katika masafa ya mwendo wa jukwaa.
• Kadiri amplitudo ya mwendo inavyoongezeka, wigo wa nguvu ya papo hapo na msukumo huongezeka sana.
• Katika hali zilizochunguzwa, kadiri amplitudo ya mwendo ilivyoongezeka nguvu ya wastani iliongezeka na msukumo wa wastani ulipungua.
• Mwendo wa jukwaa kuelekea upepo huongeza mtiririko wa radiali na athari za pande tatu.
• Mwendo wa kinyume hupunguza mtiririko wa radiali na unaweza kuingiza baadhi ya sehemu za ndani katika hali ya propela.
• Athari za mzunguko wa pande tatu zinaweza kuunda nguvu kubwa zaidi sana katika sehemu za ndani za bawa kuliko uchambuzi wa profaili ya pande mbili.
• Mtiririko wa radiali unaweza kubadilisha mwelekeo wa kitanzi cha histeresis cha kuinua dhidi ya pembe ya mashambulizi.
• Amplitudo ya mwendo inapoongezeka, damping ya aerodinamiki hupungua kwa kasi hasa katika eneo la kati la span.

Utafiti hauthibitishi nini?

• Hauthibitishi kwamba turbine halisi ya upepo inayoelea itazalisha kwa hakika thamani sawa za nguvu na msukumo kwa pitch ya 8°.
• Hauonyeshi kwamba pitch ya jukwaa itaongeza uzalishaji wa nishati wa wastani wa mwaka katika uendeshaji wa kibiashara.
• Hauthibitishi kwamba nguvu ya papo hapo ya CFD ya 14,67 MW inaweza kuzalishwa kwa umeme na jenereta.
• Hauonyeshi kwamba nguvu hasi ya aerodinamiki ya papo hapo itaonekana kwa namna ile ile katika mfumo halisi wa jenereta-shaft-umeme.
• Hauthibitishi kwamba athari za pande tatu huchelewesha stall kila wakati katika sehemu zote za bawa.
• Hauthibitishi kwamba damping chanya lakini ndogo ya aerodinamiki itageuka kuwa mtetemo unaojichochea wenyewe katika bawa halisi.
• Haihesabu ni kwa kiasi gani maisha ya uchovu ya bawa yatapungua.
• Hauonyeshi kwamba matokeo yanaweza kuhamishwa moja kwa moja kwa turbine za daraja la 10 MW, 15 MW au 20 MW.
• Hauthibitishi kwamba mekanizimu hizo zitaendelea na ukubwa ule ule chini ya mienendo halisi ya jukwaa yenye daraja nyingi za uhuru.
• Hauonyeshi kwamba mfumo utakuwa thabiti chini ya mfumo wa udhibiti, bawa linalonyumbulika na mrejesho wa hidrodinamiki wa jukwaa.

Maana kwa muundo wa turbine ya upepo ya baharini inayoelea

Matokeo ya utafiti yanaonyesha kwamba mizigo ya aerodinamiki ya turbine zinazoelea haipaswi kutathminiwa kwa nguvu ya wastani ya rota au msukumo wa wastani pekee. Mwendo wa jukwaa unaweza kuongeza nguvu ya wastani huku wakati huo huo ukisababisha mabadiliko makubwa zaidi ya mzunguko katika nguvu, msukumo na mizigo ya ndani ya bawa.

Hasa, kwa kuwa ongezeko la nguvu za pande tatu katika profaili nene za mzizi ni kubwa sana kuliko katika modeli za profaili za pande mbili, inaonyesha kwamba mizigo ya mzizi na sehemu za ndani inapaswa kurekebishwa kwa uangalifu katika modeli za uhandisi za gharama ndogo.

Damping ya aerodinamiki katika eneo la kati la span kukaribia sifuri kwa amplitudo kubwa ya mwendo inaonyesha kwamba tafiti za baadaye zinapaswa kuunganishwa na modeli ya bawa ya aeroelastic, modi za kimuundo na mfumo hai wa udhibiti.

Kwa utafiti wa baadaye, kazi hii inapendekeza kushughulikia pamoja mienendo ya surge, heave, roll, yaw na sway ya jukwaa, kuhesabu mienendo hiyo kutoka modeli ya mawimbi-hidrodinamiki na kufanya uchambuzi uliounganishwa kikamilifu na unyumbufu wa bawa.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa mbinu ya kiufundi

Muhtasari wa uthibitishaji

Matokeo kuu ya rota

Muhtasari wa ongezeko la nguvu za pande tatu

Ongezeko kwa asilimia hupungua kwa kiasi kikubwa kutoka mzizi kuelekea nje. Hata hivyo, ongezeko kubwa la jamaa katika mzizi halimaanishi kwamba ongezeko la nguvu kamili ya rota ni kwa uwiano ule ule; kasi ya mzunguko ya ndani na lever arm ya eneo la mzizi ni ndogo kuliko sehemu za nje.

Muhtasari wa uthabiti wa aerodinamiki

Tathmini ya utayari kwa uchapishaji na matumizi

Utafiti unatoa uchambuzi wa kina wa CFD wenye maelezo ya kifizikia kuhusu aerodinamiki ya pande tatu chini ya pitch ya jukwaa. Uthibitishaji wa mesh, uchambuzi linganishi wa profaili na picha za mtiririko huongeza uwezo wa utafiti kueleza mekanizimu.

Hata hivyo, kabla ya matokeo kutumika moja kwa moja katika muundo wa turbine za kibiashara, yanahitaji kuthibitishwa kwa modeli ya aeroelastic yenye mabawa yanayonyumbulika, mfumo hai wa udhibiti, mienendo halisi ya hidrodinamiki ya jukwaa, angahewa yenye turbulensi, hali za mawimbi zisizo na mpangilio na majaribio ya kimwili.

Hasa, nguvu ya aerodinamiki ya papo hapo ya 14,67 MW katika hali ya mwendo wa 8° na damping ya eneo la kati inayokaribia sifuri si utabiri wa uzalishaji wa umeme au mtetemo halisi, bali ni viashiria vya aerodinamiki katika modeli iliyotumika yenye rota ngumu na kasi thabiti.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti: Three-dimensional unsteady effects of floating offshore wind turbine aerodynamic performance under platform pitch motion

Waandishi, kwa mpangilio katika PDF: Keqiang Lou; Xiaodong Wang; Rundong Tang; Haoyu Pei; Ge Zhu; Renjing Cao.

Mchango sawa: PDF haina taarifa ya mchango sawa au uandishi mwenza wa kwanza.

Mwandishi wa mawasiliano: Xiaodong Wang. Anwani ya barua pepe ya mwandishi wa mawasiliano katika PDF ni wangxd@ncepu.edu.cn.

Uhusiano wa taasisi 1: Key Laboratory of Power Station Energy Transfer Conversion and System, Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China.

Uhusiano wa taasisi 2: Beijing Huairou Laboratory, Beijing 101400, China.

Uhusiano wa taasisi 3: Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China.

Ulinganisho wa mwandishi na taasisi: Keqiang Lou, Haoyu Pei na Ge Zhu wamehusishwa na North China Electric Power University; Xiaodong Wang na Rundong Tang wamehusishwa na North China Electric Power University pamoja na Beijing Huairou Laboratory; Renjing Cao amehusishwa na Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd.

DOI:10.2139/ssrn.6947173.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Jarida: Toleo la jarida lililopitiwa na rika halijathibitishwa.

Mchapishaji wa jarida la asili: Hajaweza kuthibitishwa kutokana na toleo hili la preprint.

Mwaka wa uchapishaji/usajili: 2026. PDF haibainishi tarehe kamili ya kuandikwa au kuwasilishwa.

Hali ya tathmini ya rika: Utafiti haujapitia tathmini ya rika. Kila ukurasa wa PDF una onyo “This preprint research paper has not been peer reviewed”.

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti wa URANS-CFD inayotatua jiometri ya bawa na kuchunguza utendaji wa aerodinamiki na mtiririko wa pande tatu wa turbine ya upepo ya baharini inayoelea chini ya mwendo wa pitch wa jukwaa.

Kiungo rasmi:Ukurasa rasmi wa rekodi wa SSRN.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na National Natural Science Foundation of China chini ya mradi namba 52376180.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna maslahi ya kifedha yanayojulikana au mahusiano ya kibinafsi yanayoweza kuathiri utafiti.

Michango ya CRediT: Keqiang Lou; programu, uthibitishaji, uchambuzi rasmi, usimamizi wa data na uandishi wa rasimu ya kwanza. Xiaodong Wang; uundaji wa dhana, mbinu, usimamizi na mapitio ya maandishi. Rundong Tang; programu na uonyeshaji. Haoyu Pei; programu na usimamizi wa data. Ge Zhu; uonyeshaji. Renjing Cao; mapitio na uhariri wa maandishi.

Upatikanaji wa data na msimbo: PDF haitoi taarifa ya hifadhi wazi ya data au msimbo.

Mbinu ya kuandaa maudhui: Makala hii ya Kituruki iliandaliwa kwa kuchunguza kwa pamoja PDF nzima ya kurasa 30 iliyopakiwa; milinganyo, picha za mesh na eneo la hesabu, grafu za uthibitishaji, mikunjo ya nguvu-msukumo ya rota, grafu za mizigo katika mwelekeo wa span, mistari ya mtiririko wa uso wa bawa, ulinganisho wa shinikizo-kasi-vortex wa pande mbili na pande tatu, mikunjo ya histeresis na majedwali ya nyongeza. Hakuna matokeo ya kisayansi yaliyoongezwa kutoka nje ya PDF. Uthibitishaji wa nje ulitumika tu kwa DOI na utambulisho wa chanzo rasmi cha SSRN.

Onyo kuu la kisayansi: Matokeo si vipimo kutoka turbine halisi ya baharini, bali ni matokeo ya URANS-CFD ya rota ngumu ya NREL 5 MW yenye mwendo wa jukwaa sinusoidal uliofafanuliwa mapema. Utafiti hautoi ushahidi wa uzalishaji halisi wa nishati, maisha ya uchovu wa kimuundo au uthabiti wa uwanjani.

Onyo kuu la kimbinu: Kasi moja tu ya upepo, masafa moja tu ya mwendo na amplitudo tatu za mwendo zilitathminiwa. Mnara, unyumbufu wa bawa, udhibiti wa turbine, hidrodinamiki ya jukwaa na daraja nyingine za uhuru hazijajumuishwa katika modeli.

Onyo la uthabiti wa waraka: Fomula ya damping ya aerodinamiki imepewa tena namba 18 ambayo ilikuwa imetumika mapema katika waraka. Katika Jedwali la Nyongeza C, inaonekana kwamba mabadiliko ya nafasi ya kutengana yaliyoonyeshwa kwa alama ya asilimia yanawakilisha zaidi tofauti ya pointi za asilimia katika urefu wa chord kuliko asilimia ya jamaa.