Ин таҳқиқот баррасӣ мекунад, ки рафтори аэродинамикии сеченака ва вобаста ба вақти парраҳо ҳангоми он ки платформаи турбинаи бодии шинокунандаи баҳрӣ зери таъсири мавҷҳо ба пешу пас ҳаракати pitch мекунад, чӣ гуна тағйир меёбад. Муҳаққиқон турбинаи бодии намунавии NREL 5 MW-ро бо модели сеченакаи URANS-CFD, ки бар OpenFOAM асос ёфта, геометрияи парраро мустақиман ҳал мекунад, моделсозӣ намуда; амплитудаҳои pitch-и платформаи 1°, 4° ва 8°-ро дар басомади 0,1 Hz муқоиса кардаанд. Ҳаракати платформа суръати нисбии бодеро, ки ротор эҳсос мекунад, даврӣ тағйир дода; қувва ва thrust дар ҳамон басомади асосие, ки ҳаракати платформа дорад, тағйир ёфтаанд. Бо зиёд шудани амплитудаи ҳаракат, қувваи миёна афзуда, thrust-и миёна кам шуда ва доираи бори лаҳзавӣ якбора васеъ гардидааст.

Ҳангоми pitch-и якдараҷа қувваи миёнаи ротор 5.116,71 kW ва доираи қувва 3.916,52-6.356,46 kW ҳисоб шудааст. Дар pitch-и ҳаштдараҷа қувваи миёна то 6.169,19 kW афзуда, дар ҳоле ки қувваи лаҳзавӣ байни -797,76 kW ва 14.669,58 kW тағйир ёфтааст. Қувваи манфии лаҳзавӣ нишон медиҳад, ки дар қисми муайяни даври ҳаракат ротор метавонад ба ҳолате гузарад, ки ба ҷойи тавлиди энергия аз нигоҳи аэродинамикӣ энергия истеъмол мекунад. Дар ҳамин шароит thrust-и ротор байни 158,86-1.198,62 kN тағйир ёфта, thrust-и миёна то 725,02 kN коҳиш ёфтааст.

Дар марҳилае, ки платформа ба самти бод ҳаракат мекард, таъсирҳои марказгурез ва Coriolis, ки аз гардиши ротор ва ҳаракати кунҷии платформа ба вуҷуд меоянд, ҷараёни радиалиро, ки аз решаи парра ба берун инкишоф меёбад, афзоиш доданд. Дар суръати баландтарини платформа барои ҳаракатҳои чор ва ҳашт дараҷа ҷараёни радиалӣ аз реша то нӯги парра тӯл кашид. Ҷараёни радиалӣ бо осон кардани дур шудани моеъи камэнергияи қабати сарҳадӣ аз сатҳи парра ва интиқоли моеъи дорои импулси баланд ба сатҳ, ҷудошавии ҷараёнро ба таъхир андохта, боис гардид, ки буришҳои сеченакаи парра нисбат ба профилҳои дученака қувваҳои аэродинамикии бештар тавлид кунанд.

Баръакс, дар марҳилае, ки ротор ба қафо дар самти бод ҳаракат мекард, суръати нисбии бод ба таври назаррас кам шуд; дар ҳаракати ҳаштдараҷа қисми минтақаҳои дохилӣ ва миёнаи парра ба режими thrust-и манфӣ даромад, ки “ҳолати пропеллер” номида шудааст. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки ҳаракати платформа танҳо иҷрои аэродинамикиро зиёд намекунад; он метавонад дар марҳилаҳои гуногуни даври ҳаракат самти тавлид, бор ва режими ҷараёнро низ баръакс кунад.

Ҷараёни радиалии сеченака инчунин самти ҳалқаҳои hysteresis-и коэффисиенти lift нисбат ба кунҷи ҳамларо тағйир додааст. Дар буришҳои дохилии парра ҳалқаҳо муқобили самти ақрабаки соат ҳаракат мекарданд, дар ҳоле ки дар буриши берунтарини 0,6421R барои амплитудаҳои хурд онҳо бо самти ақрабаки соат боқӣ монданд; бо зиёд шудани амплитуда ин тартиб вайрон шуд. Дар ҳамаи буришҳои таҳқиқшуда damping-и аэродинамикӣ мусбат боқӣ монд. Аммо коэффисиенти damping дар буриши 0,6421R аз 0,122546 барои ҳаракати 1° то 0,00162 барои ҳаракати 8° коҳиш ёфт. Ин коҳиши тақрибан 98,7 дарсад маънои ба таври мустақим ба вуҷуд омадани ноустувориро надорад, балки нишон медиҳад, ки захираи бехатарӣ бар зидди ларзиши худангезанда дар қисми миёнаи дарозии парра хеле танг шудааст.

Маҳдудияти асосии таҳқиқот ин аст, ки натиҷаҳо на ба ченкунии саҳроии андозаи пурра, балки ба модели ададӣ бо ҳаракати пешакӣ муайяншудаи платформа ва як дараҷаи озодӣ такя мекунанд. Суръати бод ва гардиши ротор доимӣ нигоҳ дошта шудаанд; таъсири манора, деформатсияи парраи чандир, идоракунии фаъоли турбина, вокуниши гидродинамикии платформа ва ҳаракатҳои дигари платформа якҷоя моделсозӣ нашудаанд. Таҳқиқот инчунин preprint мебошад, ки аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Таҳқиқот кӯшиш мекунад муайян кунад, ки ҳангоми pitch-и даврии платформаи турбинаи бодии шинокунандаи баҳрӣ ҷараёни сеченака дар атрофи парраҳои ротор чӣ гуна тағйир меёбад ва ин тағйир ба қувва, thrust, борҳои парра, stall, hysteresis ва damping-и аэродинамикӣ чӣ таъсир мерасонад.

Дар турбинаи бодии пояаш собит мавқеи ротор дар фазо асосан бетағйир мемонад. Дар турбинаи шинокунанда бошад, борҳои мавҷ ва бод боис мешаванд, ки платформа ҳаракатҳои ҷойивазкунӣ ва гардишӣ анҷом диҳад. Вақте платформа ба пешу пас мегардад, ҳамвории ротор ҳам майл мекунад ва ҳам суръати хаттӣ мегирад. Боде, ки парра эҳсос мекунад, аз суръати бод дар атмосфера фарқ мекунад ва кунҷи ҳамлаи парра пайваста тағйир меёбад.

Нуктаи муҳиме, ки таҳқиқот ба он тамаркуз мекунад, ин аст, ки ҳаракати платформа таъсирҳои иловагиеро ба вуҷуд меорад, ки онҳоро танҳо бо аэродинамикаи профили дученака шарҳ додан мумкин нест. Дар парраи гардишкунанда қувваи марказгурез, қувваи Coriolis ва градиенти фишор аз реша то нӯг вуҷуд дорад. Ҳаракати кунҷии платформа ба ин қувваҳо низоми дуюми истинодии гардишкунандаро илова мекунад. Ҳамин тавр, парра ҳамзамон аз қувваҳои инерсионӣ дар низоми гардиши ротор ва низоми pitch-и платформа таъсир мегирад.

Кадом холигии адабиёт ҳадаф қарор гирифтааст?

Таҳқиқоти пешинаи турбинаҳои бодии шинокунанда асосан ба қувваи умумии ротор, thrust, минтақаи wake ё рафтори dynamic stall дар буришҳои берунии парра тамаркуз кардаанд. Чӣ гуна ҷараёни сеченака дар реша ва қисми миёнаи парра бо ҳаракати платформа тағйир меёбад, ин ҷараён борҳои маҳаллиро то чӣ андоза зиёд мекунад ва бо dynamic stall чӣ гуна ҳамроҳ мешавад, ба таври маҳдудтар миқдорӣ арзёбӣ шудааст.

Дар қисми берунии парра аз сабаби баланд будани суръати гардиш, таъсири нисбии тағйирёбии суръати бод, ки аз ҳаракати платформа ба вуҷуд меояд, ба кунҷи ҳамлаи маҳаллӣ хурдтар аст. Дар реша ва қисми миёнаи парра бошад, суръати гардиш пасттар, кунҷи ҳамлаи корӣ баландтар ва профилҳои истифодашуда ғафстар мебошанд. Аз ин рӯ, ҳаракати платформа метавонад дар ин минтақаҳо кунҷи ҳамларо бештар тағйир диҳад ва ҷудошавии ҷараён пештар оғоз шавад.

Таҳқиқот дар баробари баррасии тақсимоти умумии бор дар тӯли парра, кӯшиш мекунад таъсирҳои аз гардиш сарчашмагирифтаро бо муқоисаи натиҷаи сеченакаи парра дар се буриши ҷудогона бо натиҷаи профили дученака дар ҳамон кунҷи самараноки ҳамла ва ҳамон адади Reynolds ҷудо кунад.

Таъсири гардиши сеченака чист?

Дар қабати сарҳадии парраи гардишкунандаи турбинаи бодӣ ҷараён танҳо аз канори пеш ба канори ақиб ҳаракат намекунад. Хусусан дар минтақаи ҷараёни ҷудошуда, моеъ метавонад аз сабаби қувваи марказгурез ва фарқи фишор аз реша то нӯг аз решаи парра ба самти нӯг ҳаракат кунад. Ин ҷузъ “ҷараёни радиалӣ” ё “ҷараён дар самти span” номида мешавад.

Ҳаракати ҷараёни радиалӣ дар низоми гардишкунандаи истинод қувваи Coriolis тавлид мекунад. Қувваи Coriolis метавонад бо тағйир додани мубодилаи импулс дар қабати сарҳадӣ ба дур кардани моеъи камэнергия аз минтақаи ҷудошавӣ ва ба сатҳ овардани моеъи дорои импулси баланд аз ҷараёни беруна мусоидат кунад.

Ин механизм дар баъзе буришҳои парра метавонад:

• Ҷудошавии ҷараёнро ба самти канори ақиб ба таъхир андозад,
• Минтақаи ҷудошавиро хурд кунад,
• Қуллаи фишори пастро дар сатҳи suction зиёд кунад,
• Коэффисиентҳои lift ва қувваи tangential-ро зиёд кунад,
• Боис шавад, ки таҳлилҳои профили дученака борҳои решаро камтар аз воқеият арзёбӣ кунанд.

Dynamic stall ва hysteresis чӣ маъно доранд?

Дар профили статикӣ бо зиёд шудани кунҷи ҳамла lift то як нуқтаи муайян меафзояд, сипас ҷудошавии ҷараён васеъ шуда, stall ба вуҷуд меояд. Агар кунҷи ҳамла бо мурури вақт зуд тағйир ёбад, ҷудошавии ҷараён, ташаккули vortex ва пайвастшавии дубора тағйироти кунҷи ҳамларо фавран пайгирӣ намекунанд. Ин рафтори таъхирдор dynamic stall номида мешавад.

Агар ҳангоми зиёд ва кам шудани кунҷи ҳамла дар ҳамон кунҷ коэффисиентҳои гуногуни lift ба даст оянд, дар графики коэффисиенти lift нисбат ба кунҷи ҳамла ҳалқаи пӯшида ба вуҷуд меояд. Ин ҳалқа hysteresis-и аэродинамикӣ мебошад ва нишон медиҳад, ки ҷараён ба ҳолати пешинаи худ вобаста аст.

Таҳқиқот нишон медиҳад, ки ҷараёни радиалӣ метавонад на танҳо бузургии lift, балки самти ҳаракати ҳалқаи hysteresis-ро — бо самти ақрабаки соат ё муқобили он — низ тағйир диҳад.

Кадом модели турбинаи бодӣ истифода шудааст?

Дар модели ададӣ турбинаи бодии намунавии NREL 5 MW истифода шудааст. Ин модел геометрияи намунавии маъмул дар таҳқиқоти турбинаҳои бодии шинокунанда буда, се парра ва меҳвари уфуқӣ дорад.

Hub ва nacelle барои кам кардани хароҷоти ҳисоббарорӣ ҳамчун сохторҳои силиндрӣ содда карда шуданд. Модели манора ба ҳисоб гирифта нашуд. Муҳаққиқон далел овардаанд, ки тағйирёбии суръати нисбии ротор, ки аз ҳаракати платформа ба вуҷуд меояд, нисбат ба таъсирҳои wake-и nacelle ва манора бартарӣ дорад.

Гарчанде ин соддасозӣ барои борҳои паррае, ки дар давр миёна гирифта шудаанд, қобили қабул дониста шудааст, таъсирҳои маҳаллӣ ва даврӣ ба монанди сояи манора, ҷараён дар атрофи nacelle ва ҳамкории парра бо манора дар натиҷаҳо вуҷуд надоранд.

Соҳаи ҳисоббарорӣ чӣ гуна сохта шудааст?

Соҳаи ҷараён ба се минтақаи ҳаракат тақсим шудааст:

1. Соҳаи дур: Минтақаи берунии собити ҳисоббарорӣ.
2. Соҳаи ҳаракати кунҷӣ: Минтақаи курашакле, ки pitch-и платформаи дорои ротор ва nacelle-ро ифода мекунад.
3. Соҳаи гардиши ротор: Минтақаи силиндрӣ, ки гардиши парраҳоро гирди меҳвари ротор таъмин мекунад.

Андозаҳои соҳаи дур бо истифода аз диаметри ротор D ҳамчун 15D × 10D × 10D муайян шудаанд. Ротор аз сарҳади воридшавӣ 5D ва аз сарҳади баромад 10D дур ҷойгир карда шудааст. Диаметри соҳаи ҳаракати кунҷӣ 4D ва диаметри соҳаи гардиши ротор 1,5D мебошад. Маркази pitch-и платформа 90 метр поёнтар аз nacelle муайян шудааст.

Шакли 3 дар саҳифаи 5-и PDF сарҳади воридшавиро дар пеши ротор, сарҳади баромадро дар паси ротор ва минтақаҳои курашаклу гардишии дар ҳам ҷойгиршударо нишон медиҳад. Шакли 4 дар ҳамон саҳифа mesh-и ҳаҷмии зичшуда дар атрофи ротор ва ҳуҷайраҳои қабати сарҳадиро, ки дар сатҳи профил сохта шудаанд, нишон медиҳад.

Хусусиятҳои mesh-и ададӣ кадомҳоянд?

Mesh-и ҳаҷмӣ бо snappyHexMesh дар OpenFOAM сохта шудааст. Дар сатҳи парра 10 қабати сарҳадӣ истифода шуда, таносуби афзоиши қабат 1,1 ва баландии ҳуҷайраи аввал 0,002 метр интихоб шудааст. Ҳадафи масофаи беандоза дар назди девор тақрибан дар доираи 30-300 буд. Аз сабаби ин доира модели SST \(k-\omega\) бо wall functions татбиқ шудааст.

Чор зичии mesh муқоиса шудаанд:

Гарчанде Mesh 3 ба mesh-и нозуктарин натиҷаи наздиктар дод, барои мувозинати хароҷоти ҳисоббарорӣ ва дақиқӣ Mesh 2 бо 10,07 миллион ҳуҷайра дар таҳлилҳои минбаъда истифода шуд. Ин интихоб маънои онро дорад, ки фарқи вобаста ба mesh тақрибан дар сатҳи 1,2 дарсад барои қувва ва thrust қабул шудааст.

Муодилаҳои ҷараён

Бо истифода аз solver-и pimpleFoam дар OpenFOAM муодилаҳои Reynolds-averaged Navier-Stokes-и фишурданашаванда ва вобаста ба вақт ҳал шудаанд.

Ҳифзи масса:

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

Дар ин ҷо \(\bar{u}_i\) ҷузъи суръати миёна бо воҳиди метр/сония мебошад. Муодила нишон медиҳад, ки дар ҷараёни фишурданашаванда ҷараёни ҳаҷмии воридшаванда ва баромадкунанда аз ҳуҷайра дар тавозун аст.

Ҳифзи импулс:

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

• \(\rho\): Зичии ҳаво.
• \(\bar p\): Фишори миёна.
• \(\nu\): Часпакнокии кинематикӣ.
• \(-\overline{u'_j u'_i}\): Reynolds stress, ки интиқоли импулси вобаста ба тағйирёбии суръати турбулентиро ифода мекунад.
• \(\bar s_{ij}\): Тензори суръати миёнаи деформатсия.

Суръати миёнаи деформатсия:

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

Модели турбулентии SST \(k-\omega\)

Барои бастани турбулентӣ модели SST \(k-\omega\) истифода шудааст. Модел ду муодилаи интиқолро барои энергияи кинетикии турбулентӣ \(k\) ва суръати хоси dissipation \(\omega\) ҳал мекунад.

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

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

\(P_k\) ва \(P_\omega\) истилоҳҳои тавлиди турбулентиро; \(\mu_t\), часпакнокии турбулентиро; ва \(F_1\), функсияи омехтакунандаро нишон медиҳанд, ки имкон медиҳад модел байни рафтори назди девор ва соҳаи дур гузариш кунад.

Шартҳои сарҳадӣ ва ҳалли вақт

• Воридшавӣ: Воридшавии суръати доимии 11,4 m/s.
• Баромад: Баромади фишор.
• Соҳаи дур: Сарҳади free-slip.
• Парраҳо ва hub: Девор бо шарти no-slip.
• Суръати ротор: 12,1 dev/dakika.
• Қадами вақти физикӣ: Вақте, ки ба ҳар 1° гардиши азимути ротор мувофиқат мекунад.
• Ҳар қадами физикӣ: 20 итератсияи дохилии вақт.
• Боқимондаи convergence: \(10^{-6}\).

Симулятсия аввал бе ҳаракати платформа дар тӯли 20 гардиши ротор иҷро шуд. Пас аз ба даст овардани ҷараёни ибтидоии устувор ва даврӣ, ҳаракати платформа татбиқ гардида, боз 11 гардиши ротор ҳисоб шуд ва натиҷаҳои чор гардиши охир таҳлил шуданд.

Convergence-и mesh чӣ гуна чен карда шуд?

Grid Convergence Index барои арзёбии он истифода шуд, ки оё тағйироти нисбии натиҷаҳо байни mesh-ҳои гуногун бо нозуктар шудани mesh кам мешавад ё не:

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

• \(F_s\): Коэффисиенти бехатарӣ.
• \(\varepsilon_{ij}\): Фарқи нисбии байни ду ҳалли mesh.
• \(r\): Таносуби нозуккунии mesh.
• \(p\): Дараҷаи мушоҳидашудаи convergence.

Коҳиши арзиши GCI аз 2,0968 дарсад то 0,0156 дарсад аз Mesh 1 то Mesh 3 нишон медиҳад, ки натиҷаҳои mesh ба таври монотонӣ convergence кардаанд.

Усули ададӣ чӣ гуна тасдиқ карда шуд?

Тасдиқ дар чор сатҳ анҷом дода шуд:

1. Истиқлолияти mesh: Чор шумораи гуногуни ҳуҷайраҳо муқоиса шуданд.
2. Суръатҳои гуногуни бод: Curve-и қувваи Mesh 2 бо гузориши намунавии NREL муқоиса шуд.
3. Ҳаракати платформа: Curve-ҳои қувва ва thrust дар ҳолати pitch-и 4° ва 0,1 Hz бо натиҷаҳои пешинаи CFD, free vortex ва BEM муқоиса шуданд.
4. Интеграли қувваҳои профил: Коэффисиентҳои lift, drag ва moment-и профили S809, ки аз фишор ҳисоб шудаанд, бо маълумоти таҷрибавӣ санҷида шуданд.

Шакли 5(c) дар саҳифаи 7-и PDF нишон медиҳад, ки curve-и қувваи ҳисобшуда дар минтақаи суръати номиналӣ ба гузориши NREL наздик аст. Дар Шакли 6 тағйирёбии қувваи усули ҷории CFD бо таҳқиқоти пешина ба таври наздик тағйир меёбад, аммо дар curve-и thrust байни усулҳо фарқҳои бузургтари миқдорӣ дида мешаванд. Аз ин рӯ, муаллифон барои қувва мувофиқати хуби миқдорӣ ва барои thrust тамоюли умумии монандро гузориш додаанд.

Дар графикҳои тасдиқи S809 арзишҳои ҳисобшуда ва арзишҳои аз интеграли фишор гирифташуда ба ҳам наздиканд. Нуқтаҳои таҷрибавӣ дар кунҷҳои паст ва миёнаи ҳамла тамоюли умумиро пайгирӣ мекунанд, дар ҳоле ки баъд аз stall дар кунҷҳои баланди ҳамла парокандагӣ ва фарқ бештар намоён аст.

Коэффисиентҳои қувваи профил чӣ гуна ба даст оварда шуданд?

Фишори сатҳии буриши парра дар гирди профил ба таври ададӣ интеграл карда шуд. Коэффисиентҳои қувваи normal ва tangential чунин ҳисоб шуданд:

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

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

\(x_i\) ва \(y_i\) координатаҳои гиреҳҳои рӯи профил мебошанд, ки бо дарозии chord нормализатсия шудаанд. Коэффисиентҳои normal ва tangential бо истифода аз кунҷи самараноки ҳамла ба ҷузъҳои lift \(C_L\) ва drag \(C_D\) табдил дода шуданд. Коэффисиенти moment дар атрофи чоряки chord низ аз ҳамин интеграли фишор ба даст оварда шуд.

Кунҷи самараноки ҳамла чӣ гуна муайян карда шуд?

Дар парраи гардишкунанда истифодаи мустақими “кунҷи free stream” аз сабаби суръати induced ва суръатҳои ҳаракат кофӣ нест. Таҳқиқот усули се нуқтаро истифода бурд, ки дар боло ва поёни профил дар маҷмӯъ шаш нуқтаи назорати суръат дорад.

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

• \(\alpha\): Кунҷи самараноки ҳамла.
• \(\varphi\): Кунҷи ҷараён.
• \(\theta\): Кунҷи маҳаллии twist-и парра.
• \(\beta\): Кунҷи pitch-и парра.
• \(U_{mn}\): Ҷузъи суръати миёна, ки ба ҳамвории ротор normal аст.
• \(U_{mt}\): Ҷузъи tangential-и суръати миёна.
• \(U_p\): Суръати маҳаллии парра, ки аз ҳаракати платформа ба вуҷуд меояд.
• \(\omega r\): Суръати гардиши буриши парра.

Дар Шакли 9-и саҳифаи 9-и PDF дида мешавад, ки усулҳои CFD, BEM ва free vortex дар қисми зиёди парра кунҷҳои ҳамлаи монанд медиҳанд. Аммо дар буриши дарунтарини тақрибан 0,2R, натиҷаи FVM тақрибан 22° аст, дар ҳоле ки натиҷаи CFD тақрибан 13-14° мебошад. Аз ин рӯ, мувофиқат дар қисми зиёди парра қавӣ, дар буриши дарунтарин заифтар аст.

Ҳаракати pitch-и платформа чӣ гуна муайян карда шуд?

Ҳаракати кунҷии платформа sinusoidal қабул шудааст. Кунҷи платформа:

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

Суръати кунҷӣ:

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

Дар ин ҷо \(A_p\) амплитудаи ҳаракатро дар ҳисоб бо радиан ва \(f_p\) басомади ҳаракатро бо Hz нишон медиҳад. Арзишҳои ҷадвал бо дараҷа дода шудаанд.

Басомади 0,1 Hz маънои онро дорад, ки давраи ҳаракати платформа 10 сония аст.

Суръати нисбии боди ротор чӣ гуна ҳосил карда шуд?

Ҷузъи боди атмосферӣ, ки ба ҳамвории ротор перпендикуляр аст, аз кунҷи платформа вобаста мебошад:

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

Суръати хаттии маркази ротор, ки аз гардиши платформа ба вуҷуд меояд:

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

Мавқеъҳои azimuth-и се парра:

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

Масофаи ҳар буриш аз маркази гардиши платформа:

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

Суръати маҳаллии ҳаракати платформа:

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

Суръати маҳаллии нисбии боди ротор:

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

Ин муодила нишон медиҳад, ки се паррае, ки ҳамзамон дар мавқеъҳои гуногуни azimuth қарор доранд, аз ҳаракати платформа ба дараҷаҳои гуногун таъсир мегиранд. Аз сабаби фазаи ибтидоии худ Blade 1 васеътарин тағйирёбии суръати нисбиро аз сар гузаронид ва таҳлилҳои муфассали бор дар ҳамин парра анҷом дода шуданд.

Чаро ҳаракати платформа ба қувваи миёна ва thrust ба таври гуногун таъсир мекунад?

Дар таҳқиқот муносибатҳои асосие истифода шуданд, ки thrust-и ротор бо квадрати суръати бод ва қувва бо куби он миқёс мегирад:

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

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

Кунҷи платформа масоҳати самараноки проексияи роторро кам мекунад. Баръакс, суръати платформа дар боди нисбӣ тағйирёбии дорои миёнаи сифр, вале амплитудаи калон ба вуҷуд меорад.

Вақте суръати нисбӣ ҳамчун \(\bar u+\Delta u(t)\) ифода мешавад, наздикии дараҷаи дуюм чунин аст:

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

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

Саҳми тағйирёбӣ дар қувва нисбат ба thrust тақрибан се маротиба қавитар аст. Аз ин рӯ, талафоте, ки аз моил шудани ҳамвории ротор ба вуҷуд меояд, дар thrust-и миёна бартарӣ дорад, дар ҳоле ки таъсири ғайрихаттии тағйирёбии суръат метавонад қувваи миёнаро афзоиш диҳад.

Натиҷаҳои қувва ва thrust-и ротор

Аз як дараҷа то ҳашт дараҷа зиёд шудани амплитуда қувваи миёнаро тақрибан 20,6 дарсад зиёд ва thrust-и миёнаро тақрибан 6,0 дарсад кам кардааст. Аммо танҳо арзишҳои миёна шиддати воқеии бори системаро нишон намедиҳанд. Дар ҳолати ҳаштдараҷа қувва дар доираи тақрибан 15,47 MW ва thrust дар доираи тақрибан 1.039,76 kN тағйир ёфтааст.

Шакли 11 чӣ нишон медиҳад?

Дар Шакли 11 меҳвари уфуқӣ вақтро бо сония, меҳвари амудӣ дар графики чап thrust-ро бо kN ва дар графики рост қувваро бо kW нишон медиҳад.

• Хати сиёҳи уфуқӣ ҳолати платформаи собитро ифода мекунад.
• Секунҷаҳои сурх ҳаракати 1°-ро нишон медиҳанд.
• Доираҳои кабуд ҳаракати 4°-ро нишон медиҳанд.
• Квадратҳои норанҷӣ ҳаракати 8°-ро нишон медиҳанд.

Графикҳо дар тӯли 20 сония ду даври ҳаракатро нишон медиҳанд; ин ба басомади платформаи 0,1 Hz мувофиқ аст. Бо зиёд шудани амплитуда қуллаҳо ва фурӯравиҳои curve-ҳо якбора васеъ мешаванд. Curve-и қувваи ҳаштдараҷа дар қисми давр бо суръати нисбии паст аз сифр поён меравад.

Дар графикҳо error bar, confidence interval ё парокандагии таҷрибавӣ вуҷуд надорад. Curve-ҳо натиҷаҳои даврии ҳалли детерминистии CFD мебошанд.

Борҳо дар тӯли парра чӣ гуна тағйир ёфтанд?

Шакли 12 барои Blade 1 борҳои normal ва tangential-ро ба ҳар метр нисбат ба мавқеи \(r/R\), ки бо радиуси парра нормализатсия шудааст, нишон медиҳад. Чор лаҳзаи ҳаракат муқоиса шудаанд:

• Мавқеи 1: Баландтарин суръати платформа ва баландтарин суръати нисбии боди ротор.
• Мавқеи 3: Баландтарин кунҷи платформа; суръати платформа ба сифр наздик аст.
• Мавқеи 5: Баландтарин суръати платформа дар самти баръакс ва пасттарин суръати нисбии боди ротор.
• Мавқеи 7: Пасттарин кунҷи платформа; суръати платформа ба сифр наздик аст.

Дар Мавқеи 1 борҳои normal ва tangential аз турбинаи собит зиёдтар ва дар Мавқеи 5 камтаранд. Дар Мавқеъҳои 3 ва 7, азбаски суръати лаҳзавии платформа ба сифр наздик аст, тақсимоти борҳо ба турбинаи собит бештар наздик мешавад.

Дар ҳаракати якдараҷа curve-ҳои бор дар атрофи ҳолати собит ба таври маҳдуд тағйир меёбанд. Дар шароити чор ва ҳашт дараҷа curve-ҳои Мавқеи 1 дар қисми зиёди парра хеле баланд мешаванд. Дар Мавқеи 5-и ҳаштдараҷа, бори normal тақрибан байни 0,1R-0,5R ва бори tangential дар минтақаи васеи дохилӣ-миёна аз сифр поён мефарояд.

Доманаи ҷараёни радиалӣ чӣ гуна чен карда шуд?

Таҳқиқот бо истифода аз хатҳои ҷараёни сарҳадӣ дар сатҳи suction масофаи span-ро, ки ҷараёни радиалӣ дар тӯли парра мерасад, ва дарозии ҷараёни ҷудошуда дар самти chord дар буриши 0,1865R чен кардааст.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки вобаста ба самти ҳаракати платформа, парра метавонад дар дохили як давр аз ҷараёни қариб пурра сеченака ба ҷараёни асосан дученака гузарад.

Хатҳои ҷараёни сатҳӣ дар Шаклҳои 13 ва 14

Шакли 13 хатҳои ҷараёнро дар сатҳи suction-и парра бе ҳаракати платформа нишон медиҳад. Хатҳо дар минтақаи реша аз самти chord каҷ шуда, ба берун ҳаракат мекунанд ва ҷараёни радиалӣ тақрибан то 0,3455R тӯл мекашад.

Дар Шакли 14 барои ҳар амплитудаи ҳаракат Мавқеъҳои 1, 3, 5 ва 7 ҷудогона нишон дода шудаанд. Тақсимоти ранг минтақаҳои сатҳиро, ки аз реша то нӯг тағйир меёбанд, ва хатҳои сиёҳи ҷараён самти қабати сарҳадиро ифода мекунанд.

Дар тасвирҳои Мавқеи 1 барои чор ва ҳашт дараҷа хатҳои радиалӣ, ки аз реша оғоз мешаванд, то нӯги парра мерасанд. Дар тасвири Мавқеи 5-и ҳаштдараҷа бошад, ҷараёни радиалӣ танҳо дар минтақаи 0,1495R, ки ба реша хеле наздик аст, боқӣ монда, қисми боқимондаи сатҳи парра бештар ҷараёни самти chord-ро нишон медиҳад.

Қувваҳои инерсионӣ дар ду низоми гардишкунандаи истинод

Шакли 15 самтҳои қувваҳоро дар Blade 1 ҳангоми ҳаракати ротор ба самти бод ва ҳангоми ҳаракати қафо дар самти бод нишон медиҳад.

Ҳангоми ҳаракат ба самти бод:

• Суръати нисбии боди ротор зиёд мешавад.
• Градиенти фишор аз реша то нӯг қавитар мешавад.
• Таъсири Coriolis аз ҳаракати платформа ба васеъшавии ҷараёни радиалӣ мусоидат мекунад.
• Ҷараёни ҷудошуда метавонад дар тамоми парра паҳн шавад.

Ҳангоми ҳаракати қафо дар самти бод:

• Суръати нисбии боди ротор кам мешавад.
• Градиенти фишори радиалӣ заиф мешавад.
• Қувваи Coriolis-и аз платформа сарчашмагирифта дар самте амал мекунад, ки ҷудошавиро пахш мекунад.
• Минтақаи ҷараёни сеченака ба самти решаи парра танг мешавад.

Кадом буришҳои парра муфассал таҳқиқ шуданд?

Барои ҳар се буриш симулятсияи профили дученака дар ҳамон кунҷи самараноки ҳамла ва ҳамон адади Reynolds анҷом дода шуд. Соҳаи дученака андозаи 30c × 20c ва тақрибан 160.000 ҳуҷайра дошт. Ҳамин тавр, буриши сеченакаи парра бо ҳамон профили дученакаи бе гардиш муқоиса шуд.

Таъсири сеченака дар буриши дохилии 0,1865R

Ҳатто бе ҳаракати платформа қуллаи фишори паст дар сатҳи suction-и буриши сеченака аз профили дученака бузургтар аст. Ҷудошавии ҷараён тақрибан 0,1c ба таъхир меафтад ва минтақаи ҷудошавӣ хурд мешавад.

Мувофиқи Ҷадвали иловагии D, дар ҳолати собит:

• Коэффисиенти қувваи normal дар 2D 0,4481 ва дар 3D 1,3148 аст: афзоиши тақрибан 193 дарсад.
• Коэффисиенти қувваи tangential дар 2D 0,1020 ва дар 3D 0,6077 аст: афзоиши тақрибан 495 дарсад.

Дар Мавқеи 1-и чордараҷа коэффисиенти қувваи normal-и сеченака 1,6622 ва арзиши дученакаи мувофиқ 0,6207 мебошад. Дар ҳашт дараҷа арзиши 3D 1,8974 ва арзиши 2D 0,7892 аст.

Бо зиёд шудани амплитудаи ҳаракат қуллаи фишори паст дар сатҳи suction ба канори пеш наздик шуд ва ҷараёни радиалӣ моеъи ҷудошудаи баландсуръатро дубора ба қабати сарҳадӣ овард. Ин кашиши vortex барқароршавии фишорро ба таъхир андохта, минтақаи васеътари ҷараёни пайвастаро ба вуҷуд овард.

Ҳолати пропеллер кай ба вуҷуд омад?

Дар марҳилаи Мавқеи 5-и ҳаракати ҳаштдараҷа кунҷи самараноки ҳамлаи буриши 0,1865R тақрибан то -8,09° коҳиш ёфт. Баландтар шудани фишор дар тарафи ҳамчун сатҳи suction муайяншуда нисбат ба тарафи муқобил самти қувваи маҳаллии аэродинамикиро баръакс кард.

Дар тақсимоти бори парра дар ҳамон минтақа борҳои normal ва tangential-и манфӣ дида мешаванд. Муҳаққиқон ин режимро “propeller state”, яъне ҳолати пропеллер номидаанд. Дар ин ҳолат буриши парра ба ҷойи гирифтани энергия аз бод ба ҷараён энергия медиҳад.

Дар Ҷадвали 3 то -797,76 kW поён рафтани кӯтоҳмуддати қувваи ротори ҳаштдараҷа нишон медиҳад, ки ҳолати маҳаллии пропеллер метавонад самти тавлиди энергияро дар сатҳи ротор низ баръакс кунад.

Дар буриши 0,3167R чӣ рӯй дод?

Ин буриш ба минтақае наздик аст, ки дар ҳолати собит ҷараёни радиалӣ ба охир мерасад. Вақте платформа бо суръати бештар ба самти бод ҳаракат мекард, ҷараёни радиалӣ то ин буриш ва минтақаҳои берунтар васеъ шуд.

Дар Мавқеи 1-и чордараҷа оғози ҷудошавӣ дар сатҳи suction бо минтақаи градиенти мусоиди фишор тақрибан дар 50 дарсади chord, ва дар ҳашт дараҷа тақрибан дар 40 дарсади chord тағйир ёфт. Дар минтақаи дарози ҷудошудае, ки аз сатҳ пурра канда нашуда буд, ҷараёни радиалӣ фишори манфиро дар наздикии канори ақиб зиёд кард.

Дар Мавқеи 1-и ҳаштдараҷа:

• Коэффисиенти қувваи normal-и 2D 1,1254 ва арзиши 3D 1,7430 аст: афзоиши 54,88 дарсад.
• Коэффисиенти қувваи tangential-и 2D 0,4794 ва арзиши 3D 0,9570 аст: афзоиши 99,63 дарсад.

Дар Мавқеи 5-и ҳаштдараҷа ин буриш низ ба ҳолати пропеллери тавлидкунандаи thrust-и манфӣ гузашт.

Таъсири сеченака дар буриши миёнаи 0,6421R

Дар ин буриш ҷараёни турбинаи собит асосан дученака аст. Бо вуҷуди ин, таъсирҳои марказгурез ва Coriolis-и ротор тақсимоти фишорро дар қабати сарҳадӣ тағйир медиҳанд.

Дар Мавқеи 1-и чор ва ҳашт дараҷа, азбаски ҷараёни радиалӣ дар тамоми парра паҳн шуд, дар ин буриш низ аломатҳои сеченака дида шуданд. Дар чор дараҷа дар сатҳи suction тақрибан дар 80 дарсади chord ва дар ҳашт дараҷа тақрибан дар 55 дарсади chord минтақаҳои хурди градиенти мусоиди фишор ба вуҷуд омаданд.

Дар ҳолати ҳаштдараҷа дар канори ақиб печиши равшани vortex ва тақрибан дар доираи 70-90 дарсади chord платои фишор дида шуд. Бо вуҷуди ин, афзоиши қувва нисбат ба буришҳои дохилӣ маҳдуд буд:

• Коэффисиенти қувваи normal: аз 1,3925 то 1,5239, афзоиши тақрибан 9,44 дарсад.
• Коэффисиенти қувваи tangential: аз 0,3968 то 0,4214, афзоиши тақрибан 6,19 дарсад.

Тасвирҳои фишор, суръат ва vortex чӣ мегӯянд?

Дар Шаклҳои 16, 18 ва 19 графикҳои сутуни чап фишори атрофи профилро нисбат ба мавқеи chord нишон медиҳанд. Меҳвари уфуқии \(x/c\) мавқеи нормализатсияшуда аз канори пеш то канори ақиб мебошад. Дар тасвирҳои рангаи тарафи рост минтақаҳои кабуд суръати пасттар ва минтақаҳои сурх суръати баландтарро нишон медиҳанд.

Барои ҳар шароит дар сатри боло буриши дученака ва дар сатри поён буриши сеченака ҷойгир аст. Дар буришҳои сеченака шакли ҳубоби ҷудошавӣ, суръатгирӣ дар сатҳи suction ва рафтори пайвастшавии дубора аз профили дученака фарқ мекунанд.

Дар Шакли 17 минтақаҳои сурх ва зард дар заминаи кабуд бузургии баланди vortex-ро нишон медиҳанд. Дар буришҳои сеченака сохтори vortex-и ҷудошуда метавонад нисбат ба буришҳои дученака кӯтоҳтар, пора-пора ва ба сатҳ наздиктар бошад. Ин намоиш тафсиреро дастгирӣ мекунад, ки интиқоли радиалӣ vortex-и ҷудошавиро дар самти chord аз нав тартиб медиҳад.

Тасвирҳо лаҳзаҳои детерминистии майдони ҷараёнро нишон медиҳанд. Барои бузургӣ ё мундариҷаи энергетикии vortex-ҳо ченкунии мустақили таҷрибавӣ вуҷуд надорад.

Ҷудошавии ҷараён то чӣ андоза ба таъхир афтод?

Ҷадвали иловагии C мавқеъҳои ҷудошавии профилҳои дученака ва сеченакаро дар Мавқеи 1 муқоиса мекунад. Дар буришҳои дохилӣ мавқеи ҷудошавии сеченака бештар ба қафо ҷойгир аст:

Гарчанде сутунҳои \(\delta\) дар ҷадвал бо аломати дарсад дода шудаанд, арзишҳо бештар ба фарқи мутлақи мавқеъ бо воҳиди нуқтаи дарсадии дарозии chord мувофиқат мекунанд, на ба афзоиши нисбии дарсадӣ. Масалан, тағйир аз 0,4000c то 0,4200c аз нигоҳи нисбӣ 5 дарсад, вале аз нигоҳи ҳиссаи мутлақи chord 2 нуқтаи дарсадӣ аст; дар ҷадвал арзиши 1,9994 дода шудааст.

Дар буриши 0,6421R аз сабаби пайдо шудани ҷудошавии нави қисман дар ҳаракати калон, нуқтаи ҷудошавии сеченака дар баъзе шароит нисбат ба арзиши дученака ба пештар омад. Ин нишон медиҳад, ки таъсири сеченака дар ҳар буриш ҳамеша stall-ро ба таъхир намеандозад ва вобаста ба ҳолати ибтидоии ҷараён метавонад натиҷаҳои гуногун диҳад.

Ҳалқаҳои hysteresis-и lift чӣ гуна тағйир ёфтанд?

Дар Шакли 20 меҳвари уфуқӣ кунҷи самараноки ҳамларо бо дараҷа ва меҳвари амудӣ коэффисиенти lift \(C_L\)-ро нишон медиҳад. Рангҳои гуногун ҳаракати платформаи 1°, 4° ва 8°-ро; аломатҳои пур ва холӣ марҳилаҳои зиёд ва кам шудани суръати нисбии бодро ифода мекунанд.

Дар буришҳои 0,1865R ва 0,3167R ҳалқаҳо муқобили самти ақрабаки соат ҳаракат мекунанд. Ҳангоми зиёд шудани боди нисбӣ ва кунҷи ҳамла lift аз арзиши ҳамон кунҷи ҳамла дар марҳилаи камшавӣ пасттар аст.

Механизми пешниҳодшуда барои ин рафтор чунин аст:

1. Ҳангоми зиёд шудани кунҷи ҳамла минтақаи ҷудошавӣ васеъ мешавад.
2. Аз сабаби инерсияи ҷараён, сохторҳои ҷудошавӣ ва vortex кунҷи ҳамларо бо таъхир пайгирӣ мекунанд.
3. Ҳангоми кам шудани кунҷи ҳамла ҷараёни радиалӣ ҷараёни самти chord-ро устувор мекунад.
4. Ҷараёни ҷудошуда нисбат ба профили дученака зудтар дубора мепайвандад.
5. Дар марҳилаи камшавии ҳамон кунҷи ҳамла lift баландтар боқӣ мемонад.

Дар буриши 0,6421R барои амплитудаи хурди ҳаракат ҳалқа бо самти ақрабаки соат аст. Бо зиёд шудани ҳаракат ҷараёни радиалӣ ба ин буриш мерасад, аз ин рӯ ҳалқа шакли софи соатгардро аз даст медиҳад ва curve-ҳо дар марҳилаҳои гуногун аз болои ҳам мегузаранд.

Оё таъсирҳои сеченака dynamic stall-ро пурра пешгирӣ мекунанд?

Не. Таҳқиқот нишон медиҳад, ки ҷараёни радиалии сеченака дар баъзе шароити буришҳои дохилии парра ҷудошавиро ба таъхир меандозад, минтақаи ҷудошавиро хурд мекунад ва таъсири dynamic stall-ро пахш мекунад. Аммо дар амплитудаҳои калони ҳаракат доираи кунҷи ҳамла васеъ шуда, ҳам ҷудошавии қавӣ ва ҳам ҳолати пропеллер ба вуҷуд меоянд.

Аз ин рӯ, таъсирҳои сеченака ислоҳи доимие нестанд, ки дар ҳама шароит иҷрои аэродинамикиро беҳтар кунанд. Самти таъсир аз марҳилаи ҳаракати платформа, буриши парра, кунҷи ҳамла ва доманаи ҷараёни радиалӣ вобаста аст.

Damping-и аэродинамикӣ чӣ гуна ҳисоб карда шуд?

Damping-и аэродинамикии буриш аз кори софи анҷомдодаи moment-и pitch-и аэродинамикӣ дар тӯли даври ҳаракат ҳисоб шудааст:

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

• \(\Xi\): Коэффисиенти беандозаи damping-и аэродинамикӣ.
• \(C_W\): Коэффисиенти кори аэродинамикӣ дар як давр.
• \(\alpha_p\): Амплитудаи ларзиши кунҷи ҳамла.
• \(C_m\): Коэффисиенти moment-и pitch-и аэродинамикӣ.

PDF ин муодиларо боз ҳамчун “Муодилаи 18” рақамгузорӣ мекунад. Аммо муносибатҳои thrust ва қувваи ротор қаблан бо рақамҳои 18-21 дода шуда буданд. Аз ин рӯ, дар ҳуҷҷат такрори рақами муодила вуҷуд дорад.

Натиҷаҳои damping-и аэродинамикӣ

Ҳамаи арзишҳо мусбатанд; аз ин рӯ, дар шароити таҳқиқшуда damping-и манфии мустақими аэродинамикӣ ё ларзиши ноустувори худафзоянда ҳисоб нашудааст.

Бо вуҷуди ин, аз 1° то 8°:

• Damping дар буриши 0,1865R тақрибан 35 дарсад кам шудааст.
• Damping дар буриши 0,3167R тақрибан 75 дарсад кам шудааст.
• Damping дар буриши 0,6421R тақрибан 98,7 дарсад кам шудааст.

Ба 0,00162 наздик шудани арзиши 0,6421R нишон медиҳад, ки захираи бехатарии damping-и аэродинамикӣ дар қисми миёнаи span қариб аз байн рафтааст. Тафсири муаллифон дар бораи зиёд шудани хатари ларзиши худангезанда ба ҳамин коҳиш асос ёфтааст.

Азбаски таҳқиқот ҳаракати чандири парраро ҳал накардааст, он нишон намедиҳад, ки ларзиши воқеӣ оғоз ё афзоиш ёфтааст. Натиҷаи damping-и аэродинамикӣ бояд дар якҷоягӣ бо модҳои сохторӣ, damping-и мавод ва coupling-и aeroelastic арзёбӣ шавад.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Модели сеченакаи CFD бо тақрибан 10 миллион ҳуҷайра, ки геометрияи парраро мустақиман ҳал мекунад, истифода шудааст.
• Гардиши ротор ва ҳаракати кунҷии платформа бо минтақаҳои sliding mesh-и дар ҳам ҷойгиршуда якҷоя моделсозӣ шудаанд.
• Истиқлолияти mesh ва дарозии соҳаи ҳисоббарорӣ ҷудогона таҳқиқ шудаанд.
• Curve-и қувва бо маълумоти намунавии NREL муқоиса шудааст.
• Натиҷаҳои ҳаракати платформа бо якчанд усули пешина муқоиса шудаанд.
• Интеграли қувваҳои профил бо маълумоти таҷрибавии S809 санҷида шудааст.
• Борҳои парра на танҳо ҳамчун ҷамъи ротор, балки дар тӯли span низ таҳқиқ шудаанд.
• Се буриши парра бо профилҳои дученака дар ҳамон кунҷи ҳамла муқоиса шудаанд.
• Хатҳои ҷараёни сатҳӣ, фишор, суръат ва майдонҳои vortex якҷоя арзёбӣ шудаанд.
• Доманаи ҷараёни радиалӣ ва афзоиши қувваҳо бо ҷадвалҳои ададӣ миқдорӣ арзёбӣ шудаанд.
• Таҳлили ҳалқаи hysteresis ва damping-и аэродинамикӣ анҷом дода шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот кадомҳоянд?

• Таҳқиқот preprint аст, ки аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст.
• Натиҷаҳо ба симулятсияи URANS-CFD такя мекунанд, на ба турбинаи воқеӣ ё озмоиши нақби бодӣ.
• Танҳо геометрияи турбинаи NREL 5 MW арзёбӣ шудааст.
• Танҳо суръати номиналии боди 11,4 m/s ва суръати доимии ротор 12,1 dev/dakika истифода шудаанд.
• Ҳаракати платформа танҳо бо pitch-и 1°, 4° ва 8° дар басомади 0,1 Hz маҳдуд аст.
• Ҳаракатҳои surge, heave, roll, yaw ва sway якҷоя моделсозӣ нашудаанд.
• Ҳаракати платформа аз модели гидродинамикӣ ба даст наомада, ҳамчун ҳаракати sinusoidal-и пешакӣ муайяншуда татбиқ шудааст.
• Мавҷ, ҷараёни об, низоми mooring ва гидродинамикаи платформа ба модели CFD дохил нашудаанд.
• Манора пурра сарфи назар шуда, hub ва nacelle содда карда шудаанд.
• Парраҳо сахт қабул шудаанд; хамшавӣ, torsion ва бозхурди aeroelastic вуҷуд надорад.
• Низоми фаъоли идоракунии суръати ротор ва pitch-и парра моделсозӣ нашудааст.
• Модели SST \(k-\omega\) URANS ва wall functions наметавонанд ҳамаи миқёсҳои вақтии ҷараёни ҷудошудаи сеченакаро ҳал кунанд.
• Mesh 2-и интихобшуда нисбат ба mesh-и нозуктарин дар натиҷаҳои қувва ва thrust тақрибан 1,2 дарсад фарқ дорад.
• Дар тасдиқи ҳаракати платформа мувофиқати қувва қавӣ аст, аммо дар бузургии thrust фарқҳои бештар намоён вуҷуд доранд.
• Усулҳои истихроҷи кунҷи ҳамла дар буриши дарунтарини парра ба таври назаррас фарқ мекунанд.
• Damping-и аэродинамикӣ ҳисоб шудааст, аммо ларзиши воқеии сохторӣ ё таҳлили устувории aeroelastic анҷом дода нашудааст.
• Натиҷаҳои бор ба ҳисобҳои умри fatigue, stress ё осеби мавод табдил дода нашудаанд.
• Танҳо чор гардиши охири ротор таҳлил шудааст; шароити дарозмуддати баҳри номунтазам ва атмосфераи турбулентӣ арзёбӣ нашудаанд.
• Дар графикҳо uncertainty, repetition, standard deviation ё confidence interval вуҷуд надоранд.
• Ба назар мерасад, ки сутунҳои тағйироти дорои аломати дарсад дар Ҷадвали иловагии C бештар фарқи нуқтаҳои дарсадии chord-ро ифода мекунанд, на фоизи нисбӣ.
• Рақами муодилаи damping-и аэродинамикӣ бо Муодилаи 18, ки қаблан дар ҳуҷҷат истифода шудааст, бархӯрд мекунад.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Pitch-и платформа боис мешавад, ки қувва ва thrust-и ротор дар басомади ҳаракати платформа тағйир ёбанд.
• Бо зиёд шудани амплитудаи ҳаракат доираи қувва ва thrust-и лаҳзавӣ хеле васеъ мешавад.
• Дар шароити таҳқиқшуда бо зиёд шудани амплитудаи ҳаракат қувваи миёна афзуда ва thrust-и миёна кам шудааст.
• Ҳаракати платформа ба самти бод ҷараёни радиалӣ ва таъсирҳои сеченакаро зиёд мекунад.
• Ҳаракати баръакс ҷараёни радиалиро маҳдуд карда, метавонад баъзе буришҳои дохилиро ба ҳолати пропеллер ворид кунад.
• Таъсирҳои гардиши сеченака метавонанд дар буришҳои дохилии парра нисбат ба таҳлили профили дученака қувваҳои хеле баландтар ба вуҷуд оранд.
• Ҷараёни радиалӣ метавонад самти ҳалқаи hysteresis-и lift нисбат ба кунҷи ҳамларо тағйир диҳад.
• Бо зиёд шудани амплитудаи ҳаракат damping-и аэродинамикӣ, махсусан дар қисми миёнаи span, якбора кам мешавад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки турбинаи воқеии бодии шинокунанда дар pitch-и 8° ҳатман ҳамон арзишҳои қувва ва thrust-ро тавлид мекунад.
• Нишон намедиҳад, ки pitch-и платформа дар фаъолияти тиҷоратӣ истеҳсоли миёнаи солонаи энергияро зиёд мекунад.
• Исбот намекунад, ки қувваи лаҳзавии CFD-и 14,67 MW метавонад аз ҷониби генератор ба таври электрикӣ истеҳсол шавад.
• Нишон намедиҳад, ки қувваи манфии лаҳзавии аэродинамикӣ дар низоми воқеии генератор-шафт-электрикӣ ба ҳамин шакл дида мешавад.
• Исбот намекунад, ки таъсирҳои сеченака дар ҳамаи буришҳои парра ҳамеша stall-ро ба таъхир меандозанд.
• Исбот намекунад, ки damping-и мусбат, вале пасти аэродинамикӣ дар парраи воқеӣ ба ларзиши худангезанда табдил меёбад.
• Ҳисоб намекунад, ки умри fatigue-и парра то чӣ андоза кам мешавад.
• Нишон намедиҳад, ки натиҷаҳо бевосита ба турбинаҳои синфи 10 MW, 15 MW ё 20 MW интиқол дода мешаванд.
• Исбот намекунад, ки дар ҳаракатҳои воқеии платформа бо чанд дараҷаи озодӣ ҳамин механизмҳо бо ҳамон бузургӣ боқӣ мемонанд.
• Нишон намедиҳад, ки система зери низоми идоракунӣ, парраи чандир ва бозхурди гидродинамикии платформа устувор мемонад.

Маъно барои тарҳрезии турбинаи бодии шинокунандаи баҳрӣ

Натиҷаҳои таҳқиқот нишон медиҳанд, ки борҳои аэродинамикии турбинаҳои шинокунанда набояд танҳо аз рӯйи қувваи миёна ё thrust-и миёнаи ротор арзёбӣ шаванд. Ҳаракати платформа метавонад қувваи миёнаро зиёд кунад ва ҳамзамон тағйирёбии даврии хеле бузургтарро дар қувва, thrust ва борҳои маҳаллии парра ба вуҷуд орад.

Хусусан он ки афзоиши қувваҳои сеченака дар профилҳои ғафси реша нисбат ба моделҳои профили дученака хеле калон аст, нишон медиҳад, ки дар моделҳои муҳандисии камхарҷ борҳои реша ва қисми дохилии парра бояд бо эҳтиёт ислоҳ карда шаванд.

Ба сифр наздик шудани damping-и аэродинамикӣ дар қисми миёнаи span барои амплитудаи калони ҳаракат нишон медиҳад, ки таҳқиқоти оянда бояд бо модели aeroelastic-и парра, модҳои сохторӣ ва низоми фаъоли идоракунӣ якҷоя карда шаванд.

Барои таҳқиқоти оянда, ин кор тавсия медиҳад, ки ҳаракатҳои surge, heave, roll, yaw ва sway-и платформа якҷоя баррасӣ шуда, ҳаракатҳо аз модели мавҷ-гидродинамикӣ ҳисоб ва таҳлил бо чандирии парра пурра пайваст карда шавад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Хулосаи усули техникӣ

Хулосаи тасдиқ

Натиҷаҳои асосии ротор

Хулосаи афзоиши қувваҳои сеченака

Афзоиши дарсадӣ аз реша ба берун ба таври назаррас кам мешавад. Бо вуҷуди ин, афзоиши калони нисбӣ дар реша маънои онро надорад, ки қувваи мутлақи ротор бо ҳамон таносуб зиёд мешавад; суръати маҳаллии гардиш ва lever arm-и минтақаи реша аз буришҳои берунӣ хурдтаранд.

Хулосаи устувории аэродинамикӣ

Арзёбии омодагӣ ба нашр ва татбиқ

Таҳқиқот таҳлили муфассали CFD ва шарҳи физикии аэродинамикаи сеченакаро зери pitch-и платформа пешниҳод мекунад. Тасдиқи mesh, таҳлили муқоисавии профил ва тасвирҳои ҷараён қудрати таҳқиқотро барои шарҳи механизмҳо зиёд мекунанд.

Бо вуҷуди ин, пеш аз истифодаи мустақим дар тарҳрезии турбинаҳои тиҷоратӣ, натиҷаҳо бояд бо модели aeroelastic-и дорои парраи чандир, низоми фаъоли идоракунӣ, ҳаракатҳои воқеии гидродинамикии платформа, атмосфераи турбулентӣ, шароити номунтазами мавҷ ва таҷрибаҳои физикӣ тасдиқ шаванд.

Хусусан қувваи лаҳзавии аэродинамикии 14,67 MW дар шароити ҳаракати 8° ва damping-и қисми миёна, ки ба сифр наздик мешавад, пешгӯии истеҳсоли электрикӣ ё ларзиши воқеӣ нестанд, балки нишондиҳандаҳои аэродинамикӣ дар модели истифодашудаи ротори сахт ва суръати доимӣ мебошанд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Three-dimensional unsteady effects of floating offshore wind turbine aerodynamic performance under platform pitch motion

Муаллифон, бо тартиби PDF: Keqiang Lou; Xiaodong Wang; Rundong Tang; Haoyu Pei; Ge Zhu; Renjing Cao.

Саҳми баробар: Дар PDF маълумот дар бораи саҳми баробар ё ҳаммуаллифи аввал вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Xiaodong Wang. Дар PDF суроғаи почтаи электронии муаллифи масъул ҳамчун wangxd@ncepu.edu.cn дода шудааст.

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

Пайванди муассисавӣ 2: Beijing Huairou Laboratory, Beijing 101400, China.

Пайванди муассисавӣ 3: Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China.

Мутобиқати муаллиф ва муассиса: Keqiang Lou, Haoyu Pei ва Ge Zhu ба North China Electric Power University; Xiaodong Wang ва Rundong Tang ба North China Electric Power University ва Beijing Huairou Laboratory; Renjing Cao ба Mingyang Smart Energy Group Co., Ltd. вобаста мебошанд.

DOI:10.2139/ssrn.6947173.

Платформаи нашр: SSRN.

Маҷалла: Нусхаи маҷаллаи аз арзёбии ҳамтоён гузашта тасдиқ нашудааст.

Ношири маҷаллаи аслӣ: Аз рӯйи ин нусхаи preprint тасдиқ карда нашудааст.

Соли нашр/сабт: 2026. Дар PDF санаи дақиқи навиштан ё пешниҳод нишон дода нашудааст.

Вазъи арзёбии ҳамтоён: Таҳқиқот аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст. Дар ҳар саҳифаи PDF огоҳии “This preprint research paper has not been peer reviewed” ҷой дорад.

Навъи манбаъ: Preprint-и таҳқиқоти URANS-CFD, ки геометрияи парраро ҳал карда, иҷрои аэродинамикӣ ва ҷараёни сеченакаи турбинаи бодии шинокунандаи баҳриро зери ҳаракати pitch-и платформа таҳқиқ мекунад.

Пайванди расмӣ:Саҳифаи расмии сабти SSRN.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот аз ҷониби National Natural Science Foundation of China дар доираи лоиҳаи 52376180 дастгирӣ шудааст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор доштаанд, ки манфиати молиявии маълум ё муносибати шахсие вуҷуд надорад, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад.

Саҳмҳои CRediT: Keqiang Lou; нармафзор, тасдиқ, таҳлили формалӣ, идоракунии маълумот ва навиштани нусхаи аввал. Xiaodong Wang; консептуализатсия, усул, роҳбарӣ ва бознигарии матн. Rundong Tang; нармафзор ва визуализатсия. Haoyu Pei; нармафзор ва идоракунии маълумот. Ge Zhu; визуализатсия. Renjing Cao; баррасӣ ва таҳрири матн.

Дастрасӣ ба маълумот ва код: Дар PDF маълумот дар бораи анбори кушодаи маълумот ё код дода нашудааст.

Усули омода кардани мундариҷа: Ин мақолаи туркӣ бо баррасии тамоми PDF-и боршудаи 30 саҳифа; муодилаҳо, тасвирҳои mesh ва соҳаи ҳисоббарорӣ, графикҳои тасдиқ, curve-ҳои қувва-thrust-и ротор, графикҳои бор дар самти span, хатҳои ҷараёни сатҳи парра, муқоисаҳои дученака ва сеченакаи фишор-суръат-vortex, curve-ҳои hysteresis ва ҷадвалҳои иловагӣ якҷоя омода шудааст. Аз берун аз PDF натиҷаи илмӣ илова нашудааст. Тасдиқи беруна танҳо барои DOI ва ҳувияти расмии манбаи SSRN истифода шудааст.

Огоҳии асосии илмӣ: Натиҷаҳо ченкуниҳои гирифташуда аз турбинаи воқеии баҳрӣ нестанд, балки натиҷаҳои URANS-CFD-и ротори сахти NREL 5 MW бо ҳаракати sinusoidal-и пешакӣ муайяншудаи платформа мебошанд. Таҳқиқот далели истеҳсоли воқеии энергия, умри fatigue-и сохторӣ ё устувории саҳроиро пешниҳод намекунад.

Огоҳии асосии методологӣ: Танҳо як суръати бод, як басомади ҳаракат ва се амплитудаи ҳаракат арзёбӣ шудаанд. Манора, чандирии парра, идоракунии турбина, гидродинамикаи платформа ва дигар дараҷаҳои озодӣ ба модел дохил нашудаанд.

Огоҳии мутобиқати ҳуҷҷат: Формулаи damping-и аэродинамикӣ дар ҳуҷҷат боз бо рақами 18, ки қаблан истифода шуда буд, рақамгузорӣ шудааст. Дар Ҷадвали иловагии C тағйироти мавқеи ҷудошавӣ, ки бо аломати дарсад дода шудаанд, бештар фарқи нуқтаҳои дарсадии дарозии chord-ро ифода мекунанд, на фоизи нисбӣ.