Offshore Türbinlerde Kullanılan Bir Ruzgar Kanadı Profili Üzerindeki Hava Akışının Karşılaştırmalı Numerik Analizi

Abstract

Son yıllarda, artan çevresel kaygılar ve enerji temini sürekliliği konuları sebebiyle, yenilenebilir enerji kaynakları büyük önem kazanmaya başlamıştır. Rüzgar enerjisi ise, bu yenilenebilir enerji kaynaklarından en önemlileri arasında yer alır. Bu anlamda rüzgar enerjisine yapılan yatırımlar, özellikle son on yıl içerisinde büyük artış kazanmıştır. Açık deniz (offshore) rüzgar teknolojisi ise, rüzgar enerjisi alanında kullanılmaya başlanmış olan yeni bir teknolojidir. Bu teknolojinin karasal rüzgar sistemlerine göre avantajları bulunmaktadır. Açık denizlerde daha güçlü ve düzenli rüzgârların oluşu, yerleşim alanlarındaki gürültü ve görüntü kirliliğinin azaltılması, doğaya verilen olumsuz etkilerin daha az olması, kurulum aşamasındaki taşıma kolaylığı ve enerji iletim verimliliği yatırımcıları bu alana yönelten faktörler arasında sayılabilir. Bu anlamda açık deniz rüzgar enerjisi karasal alandaki uygulamaların yanında, özellikle Almanya ve İngiltere olmak üzere Avrupa’da büyük bir büyüme oranına sahip olmuştur. Kuzey Denizi başta olmak üzere Baltık Denizi ve Atlantik Okyanusu’nda yaygın olarak kullanım alanı bulan açık deniz rüzgar sistemleri, önemli avantajlarıyla rüzgar enerjisinin bir sonraki adımı, yani bu alanda geleceğin enerji çözümü olarak görülmektedir. Rüzgar türbinlerinin performansında şüphesiz ki kanat aerodinamik yapısının büyük bir etkisi bulunmaktadır. Kanat profili üzerine etkiyen kuvvetler; havanın hızı, havanın yoğunluğu, profil alanı, profil geometrisi, profil yüzey pürüzlülüğü, havanın viskozitesi ve hücum açısı gibi değişkenlere göre farklılık göstermektedir. Bu kuvvetlerden en önemlisi olarak görülen taşıma kuvveti ise kanat alanı, kamburluk, hücum açısı ve havanın hızı faktörlerinin etkisi altında değişir. Bu çalışmada, hücum açısı ve hava hızının kanat profili üzerindeki hava akışına etkileri incelenmiştir. Çalışmada, son zamanlarda offshore rüzgar türbinlerinde de geniş bir kullanım alanı olan NACA 643618 kanat profilinin numerik analizi ele alınmaktadır. Analizler farklı hesaplama metotlarına dayanan Ansys CFX ve panMARE programları ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan analiz sonuçları, kullanılan kanat profili ile ilgili yapılmış deney verileri ile karşılaştırılmış ve buna göre elde edilen sonuçlar üzerine değerlendirmelerde bulunulmuştur. Tez dökümanı altı ana bölümden meydana gelmektedir. İlk bölümde; dünya üzerindeki yenilenebilir enerji kaynaklarına olan yönelimden ve rüzgar enerjisinden genel olarak bahsedilmiştir. Yapılan çalışmanın içeriği, aşamaları ve hedeflenen noktalar sunulmuştur. Bir sonraki bölümde; rüzgarların oluşumunda etkili olan faktörlere değinilmiş, son yıllardaki rüzgar enerjisinin gelişimi, rüzgar türbinleri elemanları ve açık deniz rüzgar teknolojisi ele alınmıştır. Üçüncü bölüm; rüzgar kanadı geometrisi ve aerodinamik özellikleri hakkında bilgi vermekte, ayrıca özel olarak NACA profillerinin yapısı ve kullandığımız NACA 6 serisi özelliklerine de yer vermektedir. Dördüncü bölümde ise, kullanılan analiz programları olan Ansys CFX ve panMARE’nin altyapısında kullanılan metotlar ve analiz aşamaları incelenmiştir. Bu kapsamda, Ansys CFX’de yapılan analiz aşamaları modelin oluşturulması, sınır şartlarının belirlenmesi, mesh işleminin gerçekleştirilmesi, analizin çözümlenmesi ve çözücü modülün ayarlarının yapılması, analiz verilerinin tablolar halinde ve görsel olarak görüntülenmesi gibi bölümlere detaylı olarak değinilmiştir. Bir sonraki bölümde, yapılan analizlerin sonuçları farklı rüzgar hızları ve farklı hücum açıları için grafikler şeklinde düzenlenerek sunulmuştur. Ansys CFX analizi için, farklı hücum açılarındaki rüzgar hızı, statik basınç, dinamik basınç ve türbülans dağılımları, boyutsuz katsayıların hücum açısı göre değişimleri bu bölümde incelenmiş; veriler panMARE programının verileri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra bu iki analiz verileri, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılarak, verilerin doğruluk dereceleri incelenmiştir. Son bölüm olan altıncı bölümde ise, karşılaştırılmalı grafik ve tablolara, verilerin değerlendirilmesi ve öneriler kısmına yer verilmiştir. Bu çalışmada, NACA 643618 kanat profilinin etrafındaki hava akışı, -5o ile 15o açıları arasında bir hücum açısı aralığında incelenmiştir. Hücum açısı değişimlerinin, kanat profili için taşıma ve sürüklenme katsayısı üzerindeki etkilerine bakılmıştır. Analiz metotları deneysel verilerle karşılaştırılmış, sonuçların doğruluk dereceleri incelenmiştir. Ayrıca, analizler sırasında 3 m/sn ve 11,4 m/sn olmak üzere iki farklı rüzgar hızı kullanılmıştır. Bu kapsamda, rüzgar hızı değişiminin de kanat profili etrafındaki hava akışına etkileri gözlenmektedir. Öncelikle Ansys CFX programına dayalı sayısal analiz gerçekleştirilmiştir. Kanat geometrisi modelinin oluşturulması bu analizin ilk aşamasını oluşturmaktadır. Üretici firmanın sunduğu kaynaklardan yararlanarak Ansys Design Modeller modülünde kanat geometrisi elde edilmiştir. Sonraki aşamada kanat profilini de içerisine alan analiz sistemi kurulmuştur. Bu aşamada iki farklı analiz alanı kullanılmıştır. Bu alanlardan içtekine, her hücüm açısı değişiminde kanat profili ile birlikte dönme hareketi verilmiş; bunun aksine dıştaki alan ise sabit tutulmuştur. Bu sayede her bir hücum açısı değişimi için hesap kolaylığı sağlanarak, işlem hızı arttırılmıştır. Analiz alanları oluşturulduktan sonra, sistem sınır şartları belirlenmiştir. Sınır şartı olarak, havanın giriş yaptığı bölge “inlet”, havanın çıkış yaptığı bölge “outlet”, sistem dış alanı alt ve üst duvarları ile kanat profili “wall” ve sistem dış alanı ile iç alanı arasında kalan bölge “symmetry” sınır şartı olarak tanımlanmıştır. Analiz ayarları tamamlandıktan sonra, sistem Ansys CFX çözücü modülünde çözdürülmüştür. Yapılan işlemlerde 1x10-6 mertebesinde hassasiyet kullanılmıştır. Sonuçlar, dinamik ve statik basınç dağılımları, hız dağılımları ve kuvvet dağılımları olarak Ansys CFX Post bölümünden elde edilmiş, bu veriler ışığında boyutsuz katsayılar hücum açısı değişimleri ve hız değişimlerine göre hesaplanmıştır. Aynı şekilde bu hesaplamalar aynı değişkenler için panMARE programında tekrarlanmıştır. Sistem aynı değişken aralığında, programın kendi kod sistemine uygun bir şekilde panMARE içerisinde tanımlanmıştır. İlgili kodun oluşturulması hesaplamalarda en uzun zamanı alan bölümdür. Bu aşamada Python programlama dili kullanılmıştır. Analizle ilgili kodun oluşturulmasından sonra, sistemin çözdürülmesi Ansys CFX programına nazaran çok daha kısa bir süre almaktadır. Analiz sonuçları, panMARE programı ve Paraview yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Her iki programla yapılan analizler tamamlandıktan sonra, elde edilen veriler deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonunda her bir analizin hata oranları her bir hücum açısı için belirlenmiştir. Yapılan Ansys CFX sayısal simülasyonunda, NACA 643618 kanat profilinin hücum açısı -5o’den 10o’ye kadar arttırıldığında, profilin taşıma katsayısı değerinin düzenli bir sekilde arttığı, 11o’lik hücum açısında ise(ayrılma durumunun meydana geldiği nokta) ani bir azalma gösterdiği gözlemlenmiştir. Kanat profili hücum açısı -5o’den 11o’ye arttırıldığında, profilin sürükleme katsayısı değerinin düzenli bir artış gösterdiği, 11o’lik hücum açısından sonra ise sürükleme katsayısındaki artışın ivmesinin arttığı görülmüştür. Buna karşın havanın hızını arttırdığımızda, sürüklenme katsayısının azaldığı, itme katsayısının ise arttığı belirlenmiştir.

It is obvious that renewable energy has started to gain more importance in the recent years with increasing concerns about environmental issues and security of energy supply. Wind energy is one of the most important sources in renewable energy. Having much more growth rate than onshore and with numerous advantages, offshore wind energy is believed to be next step in wind energy and the energy solution of the future. The research conducted in this thesis is motivated by the numerical analysis of NACA 64(3)618 blade profile of the offshore wind turbines which has been widely used in the wind energy sector recently. These analyses have been carried out by Ansys CFX and panMARE working according to different calculation methods. The effects of changing of the angle of attack on lift and drag coefficients have been examined for the blade profile. The numerical studies have been performed between -5o and 15o in different values of angle of attack. Besides, two different wind velocity ( 3 m/s and 11.4 m/s) are used in these studies. By this means, the effects of the altering wind velocity on the airflow around the blade profile have been investigated. The research report is composed of six chapters. In the first two sections, the information related to offshore wind turbine technology and wind energy are handled and also the scope of the thesis and the purpose are mentioned. After examining the key factors that effect wind energy in detail, the geometry and aerodynamics of airfoil and the characteristics of NACA profiles are discussed in the third part. Additionally, the information about the underlying methods of Ansys CFX and panMARE programs and their solution methods are presented. The fifth section covers the numerical analyses of NACA 64(3)618 airfoil by Ansys CFX and panMARE and the comparison of the results between these analyzers. The conclusion part and recommendations are addressed with key factors in the last part of the thesis.