A transport equatıon model for the residual stress tensor ın large eddy simulation of axıal turbine flows - Kody, Sebıt Abdallah Koko (My University, 2014)
Bu tezde, yatay eksenli bir rüzgar türbini rotoru etrafındaki akışın, Büyük Eddy Simülasyonu (Large Eddy Simulation, LES) kullanılarak çalışılması amaçlanmaktadır. Bu amaçla, üç kanatlı, yatay eksenli, rüzgarı önden alan NREL(National Renewable Energy Laboratory) serisi II. faz rotoru seçilmiştir. Bu rotorun seçilme nedenleri; hazır deneysel verilerin bulunması ve geometrisinin daha basit olmasıdır. Nümerik simülasyonlar, üç boyutlu Navier-Stokes çözücüsü FLUENT® yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Bu çözücü zamanda üçüncü derece, uzayda ikinci derece doğruluğa sahip ve dolaylı (implicit) zaman integrallemesi metdou kullanmaktadır. Çalışmanın ilk kısmında dört ayrı eddy viskozite modelinin karşılaştırılması amaçlanarak; üç kanatlı NREL serisi II. faz rotoru etrafındaki akışın, Reynolds Ortalama Navier-Stokes (Reynolds Avaraged Navier-Stokes, RANS) modellemesi ile nümerik simülasyonu yapılmıştır. Spalart-Allmaras (S-A), standart k- ε, RNG- k- ε ve SST k-ω türbülans modelleri kullanılmış ve incelenmiştir. Seçilen türbülans modelleri, literatürde sıklıkla yer almaktadır. Çalışmanın ikinci kısmı üç farklı çözüm ağı altı modelinin (sub-grid scale models) karşılaştırılması amacıyla; NREL serisi II. faz rotorunun, LES modellemesi ile nümerik analizleri ve kanat performans tahminlerini içermektedir. Rezidü gerilme tensörü için iki cebirsel ve bir kinetik enerji taşınım modeli kullanılarak türbülanslı akış simülasyonu yapılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlar ayrıca sık kullanılan eddy viskozite modelleriyle elde edilen sonuçlarla ve mevcut deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Hesaplamalar sırasında çözüm ağı altı modellerinde farklı katsayılar denenmiş, LES sonuçlarına etkisi incelenmiş ve yorumlanmıştır. Tüm hesaplamalar, GAMBIT yazılımı kullanılarak oluşturulan yaklaşık 2 milyon hücreli düzensiz çözüm ağında gerçekleştirilmiştir. Nümerik sonuçlar, hava ayrışmasının çok yüksek olduğu durumlarda kullanılan modelin ve seçilen katsayıların çözüm tahmini üzerinde etkisi olduğunu göstermektedir. HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) sonuçları, kullanılan türbülans modellerinin, kanat genişliği yönündeki yükü başarılı bir şekilde tahmin edebildiğini göstermiştir. Nümerik sonuçlar, modellenen rüzgar türbini kanadına ait deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. RANS ve LES modellerinde kuyrukyeli (wake) analizleri de yapılmıştır. Yakın ve uzak kuyrukyeli hız dağılımı tanımlanmış, vorteks yapısı tahmin edilebilmiştir. Beklendiği üzere LES modellerinin rüzgar kanadı kuyrukyelini RANS modellerinden daha yüksek hassasiyetle tahmin edebildiği gözlemlenmiştir. Kullanılan türbülans modellerinden daha yüksek hassasiyete sahip sonuçlar elde edilebilmesi ve türbin sonrası oluşan kuyrukyeli etkisinin daha detaylı incelenebilmesi amacıyla çözüm ağı sıkılaştırılması da denenmiştir. Beklenenin aksine, sıkılaştırılmış çözüm ağı kullanılarak yapılan Büyük Eddy Simülasyonu sonuçları, ayrık akışın olmaması gereken bölgelerde dahi eddy viskozite modellerinden daha kötü sonuç vermiştir. Akış alanının detaylı incelenmesi, türbin kanadı geometrisinde sivri hücum kenarının, fiziksel olmayan akış ayrılmasına neden olduğu ve elde edilen sonuçların doğruluğunu azalttığını göstermiştir. Hücum kenarının akış alanı üzerinde ki etkisinin daha detaylı incelenmesi amaçlanarak, iki boyutlu kanat kesit profili aynı sıkılıkta çözüm ağı kullanılarak simülasyonları yapılmıştır. Bu durum için kanat profilinde daha oval hücum kenarı bulunmaktadır. Elde edilen sonuçlar, Büyük Eddy Simülasyonu'nun zamana bağlı değişen unsurları eddy viskozite modellerine göre daha iyi yakalayabildiği gözlemlenmiştir.

This thesis aims to study Large Eddy Simulation of turbulent flows around a horizontal axis wind turbine rotor. The NREL phase II rotor which is a three-bladed horizontal axis upwind wind turbine rotor was selected for this purpose. The main reason behind this selection was the available experimental data and simplicity of the geometry. Computational flow simulations were performed using a commercial 3-D Navier-Stokes solver FLUENT®. This solver is third order accurate in space and second order accurate in time, and uses an implicit time marching scheme. The first phase of the study consisted of a Reynolds Average Navier Stokes (RANS) simulation of flows around the NREL phase II rotor in order to compare the performance of four eddy viscosity models. The four turbulence models including Spalart-Allmaras (S-A), Standard k-ε, RNG- k- ε and SST k-ω models were used and compared. These models are considered to be the work horses of the turbulence modeling literature. The second phase of the study consisted of the performance prediction of Large Eddy Simulation (LES) of flows around the NREL phase II rotor to compare the performance of three sub-grid scale models. Two algebraic and one kinetic energy transport models for the residual stress tensor were used to simulate turbulent flows and their predictions were compared to each other. These predictions were also compared to those obtained with some well-known eddy viscosity models and also to the available experimental data. During the computations model coefficients of sub-grid scale models were changed and their effects on the LES predictions were presented and discussed. All the computations were performed using an unstructured grid of approximately 2 million cells, which was generated using the GAMBIT software. The computations showed that the sub-grid scale model employed and the selected closure coefficient affected the quality of the solution when the flow is massively separated. The comparisons show that CFD results along with the turbulence models used can predict the span-wise loading of the wind turbine rotor with reasonable agreement. The numerical results for considered wind turbine rotor were compared to the available experimental data. A wake analysis was also carried out using the RANS and LES models. Both the near and far wake velocity field have been described, and the most significant features of the vortex structure have been predicted. As expected LES methods was able to predict wind turbine wakes more accurately than using RANS. A grid refinement study was also performed in order to obtain more accurate results from different turbulence models and to further study of wakes effects behind the wind turbine. Surprisingly Large Eddy Simulations obtained with this much finer mesh were worse than those obtained with an eddy viscosity model even at the regions where the flow should supposedly be attached. A detailed analysis of flow field showed that, the sharp leading edge of the approximate blade geometry led to a spurious separation at the leading edge, hence degraded the quality of the solutions. In order to see the effect of sharp leading edge on the flow field, further study with an equivalent fine face mesh around the two-dimensional airfoil blade section was performed. Here the airfoil geometry had smooth leading edge. Predictions successfully showed the superiority of Large Eddy Simulation in capturing the unsteady features compared the employed eddy viscosity model.
Keywords: Makina Mühendisliği; Rüzgar Türbünü