مطالعه عددی سه بعدی توربین بادی مگنوس و محسبه ضریب توان آن

بر پایه تئوری اثر مگنوس چنانچه جسم متقارن یا غیرمتقارنی در برابر جریان سیال قرار بگیرد، با به گردش درآمدن سطح جسم مماس بر مختصات هندسه سطح، نیروی آیرودینامیکی جدیدی بر جسم وارد می شود یا نیروهای آیرودینامیکی قبلی را تحت تاثیر قرار می دهد. تاثیر گردش سطح بر خطوط جریان اطراف جسم و تغییر در شکل آن ها و افزایش و کاهش سرعت نسبی جریان در اطراف جسم، باعث ایجاد تغییر در نیروهای آیرودینامیکی می شود. به عبارت دیگر افزایش فشار در سطح پایین جسم و کاهش فشار در سطح بالای جسم موجب ایجاد نیروی جدی می شود. طی سالیان اخیر، از اثر مگنوس جهت نیروی برآ در توربین های بادی استفاده شده است. در توربین های مگنوس، استوانه ای دوار به عنوان پره های توربین عمل کرده و باعث چرخش توربین می شوند. در پژوهش حاضر یک توربین بادی مگنوس به صورت سه بعدی و با حل عددی در نرم افزار ANSYS CFX و با بهره گیری از مدل توربولانسی BSL مورد ارزیابی قرار گرفته و ضمن اعتبارسنجی با نتایج تجربی، نمودار ضریب توان برای آن ترسیم شده است. مطابق نتایج، افزایش سرعت زاویه ای استوانه ها تا 4000rpm باعث افزایش مقدار توان تولیدی شده، ولی افزایش بیشتر این سرعت منجر به کاهش توان تولیدی می شود. همچنین کانتورهای خطوط جریان حول استوانه و توزیع فشار بر روی استوانه ( به عنوان پره توربین) ارائه شده است که مطابق نتایج، با توجه به همسو بودن سرعت چرخشی استوانه با جریان در بالا و غیر همسو بودن آن در پایین استوانه، همواره فشار در بالای استوانه کمتر از پایین آن بوده که این اختلاف فشار منجر به ایجاد نیروی لیفت به سمت بالای استوانه می گردد. این موضوع با افزایش سرعت زاویه ای استوانه تقویت شده و باعث افزایش نیروی لیفت می گردد.

Keywords:

توربین بادی , اثر مگنوس , ضریب توان , نیروی لیفت , نیروی درگ