دانلود پایان نامه ارشد: تحلیل عددی رفتار دینامیکی پره های توربین بادی با محور عمودی

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مکانیک

گرایش :طراحی کاربردی 

عنوان : تحلیل عددی رفتار دینامیکی پره های توربین بادی با محور عمودی

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد خمینی شهر

دانشکده مکانیک

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc.

گرایش مهندسی مکانیک – طراحی کاربردی

تحلیل عددی رفتار دینامیکی پره های توربین بادی با محور عمودی

 به روش اویلری- لاگرانژی کوپل شده

استاد راهنما:

دکتر محسن لوح موسوی

استاد مشاور:

دکتر حسن موسوی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                            صفحه

فهرست مطالب ……………………………………………………………………………………………………………… أ

فهرست اشکال ……………………………………………………………………………………………………………… ه

فهرست جداول ……………………………………………………………………………………………………………. ح

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………. ط

مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………… ی

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………. 1

1-2- انرژی تجدید پذیر ……………………………………………………………………………………………… 2

1-3- ویژگی انرژی تجدیدپذیر ……………………………………………………………………………………. 4 

1-4- انواع منابع  انرژی تجدیدپذیر ……………………………………………………………………………….. 5

1-4-1- انرژی خورشیدی ………………………………………………………………………………………. 5

1-4-2- انرژی زمین گرمایی …………………………………………………………………………………… 6

1-4-3- فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده ………………………………………………. 8

1-4-4- انرژی باد …………………………………………………………………………………………………. 9

1-5- تاریخچه انرژی باد ……………………………………………………………………………………………….. 13

1-6- انواع توربین بادی …………………………………………………………………………………………………. 16

1-6-1- توربین محور عمودی …………………………………………………………………………………. 16

1-6-1-1- مزایای توربین های محور عمودی ………………………………………………………… 17

1-6-1-2- معایب توربین های محور عمودی ………………………………………………………… 17

1-6-2- توربین محور افقی ……………………………………………………………………………………… 17

1-6-2-1- مزایای توربین های محور افقی …………………………………………………………….. 18       

1-6-2-2- معایب توربین های محور افقی …………………………………………………………….. 18

1-7- مروری بر تحقیقات انجام شده ………………………………………………………………………………… 21

1-8- روش تحقیق در این پایان نامه …………………………………………………………………………………. 32

1-9- مروری اجمالی بر فصلهای پایان نامه ………………………………………………………………………… 33

فصل دوم: معرفی پارامترهای آنالیز FSI

2-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………… 34

2-2- معرفی پارامترهای موثر بر نتایج آزمایشگاهی …………………………………………………………… 35

2-2-1- گشتاور استاتیکی ………………………………………………………………………………………. 38

2-2-2- زاویه فاز ………………………………………………………………………………………………….. 39

2-2-3- نسبت هم پوشانی پره ها ……………………………………………………………………………… 40

2-2-4- گشتاور دینامیکی(ضریب قدرت) …………………………………………………………………  42  

2-3- تئوری بتز …………………………………………………………………………………………………………. 44

2-4- تئوری گلائورت ……………………………………………………………………………………………….. 50

2-4-1- طراحی مفهومی آیرودینامیکی پره توربین بادی ………………………………………………. 50

2-4-1-1- نحوه تعیین قطر روتور و تعیین تعداد پره ها و سطح هر پره …………………….. 50

2-4-1-2- معرفی تئوری گلائورت جهت طراحی آیرودینامیکی پره توربین بادی ………… 50

2-4-1-2-1- محاسبه نیروی رانش محوری و گشتاور ………………………………………… 50

2-4-1-2-2- محاسبات ضریب قدرت …………………………………………………………….  52

2-4-1-2-3- تعیین مقادیر زاویه ای سرعت نسبی  و ضریب شکل  بهینه …. 52

2-4-1-2-4- تعیین ضریب قدرت ………………………………………………………………….. 52

2-4-1-2-5- اثر تعداد پره ها ………………………………………………………………………… 53

2-4-1-2-6- نحوه عملی طراحی آیرودینامیکی پره توربین باد و تعیین وتر و زاویه پره 53

2-4-2- طراحی مفهومی سازه ای پره های توربین بادی …………………………………………..  54

2-4-2-1- تنش های ناشی از تندباد ضمن عملکرد عادی ……………………………………  54

2-4-2-2- تنش های ناشی از نیروهای گریز از مرکز در عملکرد عادی …………………  55

2-4-2-3- تنش ناشی از اثرات ژیروسکوپی …………………………………………………….  55

2-4-2-4- تنش کل وارد بر پره ……………………………………………………………………..  55

2-4-2-5- انتخاب جنس پره …………………………………………………………………………  56

2-4-3- محاسبه دقیق هندسی برای سطح پره توربین های بادی محور افقی ………………….  56

2-4-2-1- هدف …………………………………………………………………………………………  56

2-4-2-2- پارامترهای اصلی برای تعیین هندسه پره ……………………………………………. 56

2-4-2-3- تعیین مختصات فضایی نقاط بر روی سطح پره …………………………………… 57

فصل سوم: شبیه سازی فرایند برهمکنش باد بر پره های توربین

3-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………. 58

3-2- معرفی پارامترهای مهم انتخاب شده در فرایند شبیه سازی ………… .. …………………………….. 61

3-2-1- پارامتر معادله گاز ایده آل Ideal Gas Equation State …………………………….. 61

3-2-2- پارامتر انتگرال گیری با تعداد نقاط گوس کاهش یافته ……………………………………… 62     

3-3- روند دستیابی به شبیه سازی نهایی مدل توربین ساوونیوس (مطابق مقاله اصلی) …………………………. 63

3-3-1- محیط ایجاد قطعه  ………………………………………………………………………….. 64

3-3-2- محیط تعریف خصوصیات مواد  …………………………………………………. 64

3-3-3- محیط تعریف تعداد مراحل و نوع حل مساله  ……………………………………….. 64

3-3-4- محیط تعریف نوع تماس اجزا با هم  ………………………………………… 64

3-3-5- محیط بارگذاری و اعمال شرایط مرزی  ……………………………………………. 65

3-3-6- محیط شبکه بندی اجزا  ……………………………………………………………… 65

3-4- شبیه سازی توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی صفر   ……………………………… 66

3-4-1- مدلسازی سه بعدی توربین و تونل باد در محیط  …………………………………… 66

3-4-2- تعریف خصوصیات روتور و حجم کنترل سیالاتی در محیط  ……………. 66

3-4-3- مونتاژ اجزای مساله در محیط   ………………………………………………….. 67

3-4-4- تعریف تعداد مرحله و نوع حل مساله درمحیط  ……………………………………… 69

3-4-5- تعریف نوع تماس سطوح اجزاء با هم در محیط   ……………………….. 70

3-4-6- تعریف سرعت باد و شرایط مرزی تونل باد در محیط  …………………………… 70

3-4-7- شبکه بندی مدل در محیط ……………………………………………………………….. 74

3-4-8- حل مساله در محیط  …………………………………………………………………………. 74

3-5- شبیه سازی سایر توربین ها  ……………………………………………………………………..  75

 

فصل چهارم: ارئه نتایج و بحث و بررسی آن

4-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………….. 78

4-2- بررسی نمودارهای تحلیل FSI ……………………………………………………………………………….. 79

   4-2-1- تغییرات گشتاوراستاتیکی در توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ………………. 79 

    4-2-2- تغییرات گشتاور استاتیکی در توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ……………….. 80

    4-2-3- تغییرات سرعت زاویه ای روتور توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان ………….. 81

    4-2-4- تغییرات انرژی جنبشی در توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان …………………. 82

    4-2-5- تغییرات نیروهای تکیه گاهی در توربین یک طبقه با نسبت هم پوشانی یکسان …………. 83       

    4-2-6- تغییرات نیروهای تکیه گاهی در توربین دو طبقه با نسبت هم پوشانی متفاوت ………….. 84

    4-2-7- نمایش گرافیکی جریان سیال در بروخورد با توربین یک طبقه در  تونل باد ……………. 85

    4-2-8- تغییرات سرعت زاویه ای روتور توربین دو طبقه با زاویه فازهای متفاوت ……………….. 87

    4-2-9- نمایش گرافیکی لحظه برخورد سیال با پره توربین دو طبقه ………………………………… 88

    4-2-10- تغییرات بردار سرعت در هنگام شروع دوران توربین یک طبقه …………………………. 89

    4-2-11- تغییرات بردار سرعت در هنگام شروع دوران توربین دو طبقه ……………………………. 91

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1-  مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………… 93

5-2- نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………. 93

5-3- پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………… 96

فهرست مراجع …………………………………………………………………………………………………………. 98

چکیده انگلیسی

 

در این تحقیق، توربین بادی با محور عمودی مدل ساوونیوس مدلسازی شده است. توربین بادی در حجم کنترل سیالاتی که همان تونل باد در شرایط واقعی می باشد، مدلسازی شده و تحت وزش باد با سرعتهای متفاوت بررسی شده است. همچنین از لحاظ نسبت هم پوشانی نیز در سه حالت مختلف تحت بررسی قرار گرفته تا بهترین حالت توربین با گشتاور استاتیکی بهینه  تعیین گردد.

بر خلاف تمامی تحقیقات انجام شده، روش ارائه شده در این تحقیق، مدلسازی برخورد سیال با پره های توربین می باشد که امکان بررسی رفتار دینامیکی و محاسبات تنش و کرنش وارد بر پره توربین را دارد.

نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که در مناطقی که سرعت وزش باد کم است، از توربینی باید استفاده گردد که زاویه فاز بین دو طبقه توربین کم باشد و در مناطقی که سرعت وزش باد زیاد باشد، از زاویه فاز زیاد استفاده نمود. همچنین، برای کاهش نوسانات سرعت زاویه ای روتور توربین، در مناطقی که سرعت وزش باد زیاد است از زاویه فازهای بزرگتر استفاده گردد. اما در مناطقی که سرعت وزش باد کمتر است از زاویه فاز کوچکتر استفاده گردد.

مدلسازی کامل برهمکنش سیال بر پره های توربین، نشان می دهد که گشتاور استاتیکی در لحظه شروع چرخش روتور، به علت وجود یاتاقان در شرایط واقعی، افزایش می یابد، اما پس از شروع حرکت و غلبه بر نیروی اصطکاک ایستایی، کم کم مقدار گشتاور کاهش می یابد. این مقدار در زاویه حدود 85 درجه به حداقل خود می رسد که در همین لحظه توربین بیشترین سرعت خود را خواهد داشت.

همچنین نمودار انرژی جنبشی و کل توربین مورد بررسی قرار گرفته است که نشان دهنده افزایش این مقادیر به سبب افزایش سرعت باد برای همه توربین ها و افزایش زاویه فاز برای توربین های دو طبقه می باشد.

همچنین، بررسی نتایج بدست آمده از روش اجزاء محدود با نتایج آزمایشگاهی مقایسه و نشان داده شده است که همخوانی قابل قبولی بین این نتایج وجود دارد.

 

کلمات کلیدی: توربین بادی با محور عمودی، زاویه فاز، نسبت هم پوشانی، توربین ساوونیوس، تجزیه و تحلیل المان محدود

 

مقدمه

با توجه به نیاز روز افزون به منابع انرژی و کاهش منابع سوخت فسیلی و ضرورت سالم نگهداشتن محیط زیست، کاهش آلودگی هوا، محدودیتهای برق رسانی و تامین سوخت برای نقاط روستایی دور افتاده و…، استفاده از انرژیهای نو مانند انرژی آب، انرژی باد، انرژی خورشید، انرژی هیدروترمال، و… می‌تواند جایگاه ویژه‌ای داشته باشد. با توسعه نگرشهای زیست محیطی و راهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع انرژیهای تجدید ناپذیر، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. استفاده از تکنولوژی توربینهای بادی می تواند یک انتخاب مناسب در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدید پذیر باشد.

در توربین ها با روتورهای محور عمودی، محور دوران عمود بر سطح زمین و چرخش تیغه ها به موازات زمین است و به همین دلیل سطحی که توسط باد به حرکت در می آید پس از نیم دور چرخش مجبور است در جهت عکس جریان باد به حرکت خود ادامه دهد و این مشکل سبب پایین آمدن ضریب توان آنها می شود. به همین دلیل در این روتورها طراحی پره از اهمیت خاصی برخوردار است.

تاکنون مطالعات زیادی در زمینه توربین های بادی صورت گرفته است اما تمامی این مطالعات به دلیل پیچیدگی طراحی توربین بادی، بیشتر در آزمایشگاه بدست آمده است. البته سطح مطالعات نیز محدود بوده است.

لذا در این تحقیق، برهمکنش باد بر پره های توربین در نرم افزار، مدلسازی شده و به روش اجزای محدود، تحلیل عددی شده و نتایج بدست آمده از تحلیل عددی با نتایج تجربی مقایسه شده است. همخوانی این نتایج نشان دهنده صحت نتایج عددی می باشد.

در فصل اول، ابتدا به تعریف انرژی تجدیدپذیر و انواع آن پرداخته شده است. سپس با توجه به اینکه موضوع پایان نامه بصورت تخصصی بر روی انرژی باد می باشد، تاریخچه ای مختصر از مصارف بکار رفته در طول تاریخ از انرژی باد را بیان نموده شده است و سپس انواع توربین های بادی که شامل محور عمودی و افقی بوده را بررسی کرده و به بیان محاسن و معایب آن پرداخته شده است. در فصل 2، به تشریح آخرین مقاله در زمینه برهمکنش باد بر پره های توربین پرداخته و سپس تئوری های مختلفی که دانشمندان در رابطه با ضریب قدرت توربین و .. ارائه نموده اند، بررسی می شود. در فصل 3، مدلسازی برهمکنش سیال- سازه برای شبیه سازی دینامیکی توربین ساوونیوس ارائه شده است. در فصل 4، نتایج تحلیل عددی با ارائه نمودارهای مختلف از قبیل نمودار گشتاور استاتیکی، ضریب قدرت و … بررسی خواهد شد. در فصل آخر نیز با جمع بندی نتایج بدست آمده در پایان نامه، پیشنهادهایی برای انجام تحقیقات بعدی ارائه خواهد شد.

 

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

(( … و تَصریفِ الرّیاحِ آیاتٌ لقومٍ یَعقلونَ ))[1]

«…و در چرخش بادها برای مردمی که می اندیشند، نشانه هایی است.»

نیاز روزافزون بشر به مصرف انرژی از یک سو و لزوم حفظ و حراست از محیط زندگی در برابر تبعات ناشی از سوختهای فسیلی از سوی دیگر، موجب شده است تا منابع انرژی پاک بیش از هر زمان دیگر مورد توجه قرار گیرند. سیستم های انرژی تجدیدپذیر شاخص ترین منابع انرژی پاک را شامل می شوند. تبعات آلودگی های زیست محیطی ناشی از انرژی های فسیلی، امروزه چنان گسترده شده است که بشر از طرفی حسرت اقدامات گذشته و توسعه ناپایدار و ناهمگون بنا شده در آن را می خورد و در پی چاره ای برای گریز از این شرایط است؛ اما از سویی هچنان ناگزیر به ادامه روند چنین توسعه ای می باشد چرا که تغییر فرهنگ در استفاده از فناوری چه در بخش تولید و چه در مصرف نیازمند گذر زمان و صرف هزینه های فراوان است. از این رو سرمایه گذاری های فراوان و روزافزونی به ویژه در کشورهای توسعه یافته جهت مطالعه در زمینه رشد و گسترش بهره برداری از انرژی های تجدیدپذیر از یک سو در بخش تولید (در مقیاس بالا و بُعد نیروگاهی) و از سمت دیگر، فرهنگ سازی در بخش مصرف، چه در زمینه استفاده از انرژی های مقیاس مستقل و پاک و چه در زمینه بهبود الگوی مصرف انجام پذیرفته است]1 .[

1-2- انرژی تجدیدپذیر

بر خلاف سوختهای فسیلی، منابع انرژی های تجدیدپذیر دائما ایجاد می گردد و می توانند پایدار بمانند. چند منبع انرژی تجدیدپذیر که بیشتر از آنها استفاده می گردد، عبارتند از: انرژی زیست توده[2](مانند چوب و ضایعات آن، زباله جامد شهری، بایوگاز، اتانول، بیودیزل و ..)، انرژی با قدرت بالا[3](مانند پتانسل آب، موج اقیانوس و …)، انرژی خورشیدی و انرژی باد.

استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر موضوع جدیدی نیست. بیش از 150 سال پیش استفاده از انرژی آتش به عنوان نمونه ای از انرژی زیست توده بیش از 90 درصد کل انرژی های مصرفی را به خود اختصاص داده بود. ما امروزه، بازهم به دنبال یافتن راههایی برای استفاده ازانرژی  تجدیدپذیر هستیم.

در سال2006، نزدیک 18% کل انرژی مصرفی جهان از انرژی های تجدیدپذیر تامین می گشت. همچنین 13% آن نیز از انرژی های زیست توده بوده که عمدتا برای مصارف گرم کردن می باشد و تنها 3% انرژی از نوع هیدروالکتریسیته می باشد. انرژی های تجدیدپذیر (شامل: انرژی با قدرت بالا جزئی، انرژی باد و انرژی خورشیدی و …) نیز 2.4 درصد را به خود اختصاص داده است. سهم انرژی های تجدیدپذیر از تولید برق حدود 18 درصد است که حدود 15 درصد مربوط به توربین های آبی بوده و مابقی از سایر انرژی های تجدیدپذیر تولید می گردد. سیاست اروپا در مورد تولید برق از انرژی های تجدیدپذیر در پیشبرد اهداف کلان خود حدود 20 درصد می باشد.

در تابستان سال 2010 میلادی، دولتهای عضو کمسیسون انرژی اروپا طرح ها و برنامه های خود را ارائه کردند. استفاده از انرژی تجدیدپذیر در بعضی کشورها جزو اهداف توسعه ملی آنها بود. در دانمارک، سیاست و اهداف دراز مدتشان رسیدن به میزان تولید برق 30 درصدی از منابع تجدیدپذیر تا سال 2020 میلادی می باشد.

درحالی که بسیاری از پروژه های انرژی تجدیدپذیر و تولید آن در مقیاس بزرگتر برای مناطق دور افتاده و محروم و روستایی نیز مناسب می باشد، برای توسعه منابع انسانی هم کاربرد دارد. برخی از فن آوری های انرژی تجدیدپذیر به جهت انتقادهایی که به آنها وارد می گردد،  هنوز در بازار انرژی نیاز به رشد دارد. لذا نگرانی های تغییرآب و هوا، افزایش قیمت نفت و نگاه ویژه دولت ها به این نوع انرژی ها باعث گردیده تا قوانین مربوط به انرژی های تجدیدپذیرتدوین وسیاست دولتها به سمت صنعت انرژی های تجدیدپذیر در شرایط بحران اقتصادی 2009 میلادی در جهان حرکت کند.

تولید انرژی های تجدیدپذیر نسبت به تولید انرژی از سوختهای فسیلی بسیارگرانتر است. همچنین منابع این نوع انرژی، معمولاً در مناطق دور افتاده وجود دارد و ساخت خطوط انتقال انرژی به شهرها که مصرف کننده آن می باشند، بسیار هزینه بر است. استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، توسط این واقعیت که همیشه در دسترس نیستند، محدود می گردد. به عنوان مثال در روز ابری انرژی خورشیدی کاهش می یابد، در روز آرام انرژی باد کاهش می یابد و در زمان خشکسالی میزان آب جهت تولید انرژی آبی کاهش می یابد]10[.

تعداد صفحه : ۱۱۸

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09361998026        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید