مفاد بار طراحی برای شبیه‌سازی اثر بحرانی فوران بر روی توربین‌های بادی

خلاصه

توربین های بادی از جمله منابع انرژی پایدار هستند که به سرعت در حال رشد هستند. بررسی ضوابط طراحی برای این نوع سازه ها نشان دهنده عدم وجود رویه برای تخمین بارهای باد بر روی توربین های بادی به دلیل حوادث با شدت بالا مانند فوران های باد است.. چالشی در تحلیل و طراحی توربین‌های بادی در زیر فوران‌ها وجود دارد، زیرا ماهیت ناگهانی و موضعی چنین رویدادهایی وجود دارد، که نیروهای وارد بر برج و پره‌ها را به ویژگی‌های رویداد وابسته می‌کند. به این ترتیب، هدف مطالعه حاضر توسعه مفاد بار طراحی است که می‌تواند اثر بحرانی انفجارها را بر روی توربین‌های بادی شبیه‌سازی کند. این مقررات در دو مرحله تدوین شده است. شناسایی اثرات پیک مولفه میانگین متحرک نزول و تعیین پروفایل های بحرانی مرتبط هدف فاز اول است. برای دستیابی به این هدف، یک مطالعه پارامتریک جامعبا استفاده از مدل عددی توسعه‌یافته قبلی، HIW-TUR، بر روی طیف گسترده‌ای از اندازه‌های توربین بادی و انواع ایرفویل به منظور ارزیابی پاسخ بحرانی توربین‌های بادی تحت مولفه میانگین فوران‌ها انجام می‌شود. این مطالعه تغییرات در اندازه فوران و موقعیت آن نسبت به مرکز برج را در نظر می گیرد. سپس، تحلیل‌های دینامیکی تحت آشفتگی در فاز دوم با استفاده از کد منبع باز، FAST، انجام می‌شود تا یک ضریب پاسخ رگبار فوران را تعیین کند تا اثر مولفه میانگین را افزایش دهد. سپس ضریب پاسخ رگباری فوران با پروفیل های مولفه متوسط قرار می گیرد تا مجموعه کاملی از مقررات طراحی ارائه شود.

معرفی

باد یکی از سریعترین منابع انرژی تجدیدپذیر در حال توسعه است [1]. با توجه به شورای جهانی انرژی بادی [2]، توربین های بادی با سرعتی سریع در سراسر جهان نصب شده اند. بیشتر توربین‌های بادی در مناطق روستایی ساخته می‌شوند که منابع بادی کافی برای به حداکثر رساندن راندمان توربین بادی در دسترس است. این مناطق می توانند در معرض شرایط باد شدید قرار گیرند [3]. به این ترتیب، اجزای توربین بادی، برج و پره‌ها، به دلیل شرایط باد معمولی و شدید، اعمال کرنش مداوم ناشی از باد را در طول عمر توربین بادی تجربه می‌کنند. آیین‌نامه‌های طراحی، استانداردها و توصیه‌ها [4]، [5]، [6] مقرراتی را برای طراحی توربین‌های بادی برای عملکرد در شرایط عادی باد و مقاومت در برابر بادهای شدید ارائه می‌کنند. بارهای باد مورد استفاده در آن کدهای طراحی بر اساس رویدادهای باد در مقیاس بزرگ همدیدی مانند طوفان و طوفان است. در همین حال، خرابی‌های متعدد برج توربین بادی در سال‌های اخیر در جریان حوادث شدید باد ثبت شده است [7]. علاوه بر این، با توجه به انجمن اطلاعات Caithness Windfarm [8]، بیش از 3200 حادثه و سوانح توربین بادی در 25 سال گذشته در بریتانیا رخ داده است. بادهای شدید و رعد و برق باعث خرابی ساختاری و تیغه‌ها در حدود یک پنجم تمام تصادفات شد که بیش از هر نوع خطر دیگری خسارت مالی به بار آورد. طوفان یکی از این رویدادهای باد شدید همراه با رعد و برق است و در آیین نامه های طراحی لحاظ نشده است، که به عنوان توده ای از هوای متحرک قوی که به طور ناگهانی در هنگام رعد و برق به زمین سقوط می کند، تعریف می شود. سپس در تمام جهات به سمت خارج حرکت می کند و گرداب هایی ایجاد می کند [9]. به عنوان یک رویداد باد موضعی، فوران‌های بارانی میدان‌های بادی ایجاد می‌کنند که متفاوت از بادهای همدیدی هستند. علاوه بر این، نیروهای باد تجربه شده توسط یک توربین بادی در طول یک رویداد سقوط به اندازه رویداد و موقعیت آن نسبت به توربین بادی بستگی دارد. یکی دیگر از چالش‌های مرتبط با اثر فوران‌های بادی بر روی توربین‌های بادی این است که وقوع ناگهانی آن‌ها امکان پیش‌بینی جهت باد را نمی‌دهد و در نتیجه جهت صفحه روتور را مطابق با آن تنظیم می‌کند. با بررسی ادبیات، مشخص شد که مطالعات محدودی برای بررسی واکنش توربین بادی تحت اثر فوران‌های پایین انجام شده است. کوون و همکاران [10] فرمولی را برای تعیین اثر تندباد بر توربین‌های بادی در هنگام بارگذاری طوفانی استخراج کرد. آن‌ها گزارش دادند که بادهای رگباری در مقابل تندباد بارهای بیشتری را روی توربین‌های بادی ایجاد می‌کند در حالی که تأثیر دینامیکی کمتری نسبت به باد لایه مرزی دارد. تعدادی از مطالعات توسط یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه تگزاس در آستین برای مطالعه رفتار توربین های بادی تحت فوران های شبیه سازی شده انجام شد. نگوین و همکاران [11]، و نگوین و مانوئل [12] از یک مدل ترکیبی قطعی- تصادفی برای بررسی رفتار دینامیکی یک توربین بادی 5 مگاواتی در زیر فوران‌ها استفاده کردند. FAST [13]، یک نرم افزار منبع باز برای تجزیه و تحلیل و طراحی توربین بادی، برای انجام تجزیه و تحلیل آنها استفاده شد. آنها اجزای متوسط و متلاطم میدان باد را به طور مستقل تولید کردند. مولفه میانگین با استفاده از یک مدل تحلیلی با در نظر گرفتن تغییرات سرعت شعاعی و عمودی در طول زمان و همچنین سرعت انتقال طوفان به دست آمد. این مدل تحلیلی مستلزم شناسایی برخی پارامترهای downburst است که از پروژه های NIMROD [9] و JAWS [14] گرفته شده است. در همین حال، با استفاده از TurbSim [15]، یک شبیه‌ساز آشفتگی منبع باز، مولفه آشفته به‌صورت مصنوعی به‌عنوان یک فرآیند تصادفی با ویژگی‌های چگالی طیفی انسجام و توان تلاطم استاندارد تولید شد. سپس آشفتگی ایجاد شده بر روی مولفه میانگین قرار داده شد تا یک تاریخچه زمانی از فوران ها ایجاد شود. علاوه بر این، نگوین و مانوئل [16] یک شبیه‌سازی مونت کارلو را برای ارزیابی تأثیر مکان‌های فوران و جهت انتقال بر بار شدید توربین بادی انجام دادند. در همین حال، لو و همکاران. [17] از میدان باد ناپایدار ناشی از شبیه‌سازی‌های گردابی بزرگ (LES) بر اساس مدل منبع خنک‌کننده که توسط هاوبکر و همکارانش انجام شد، استفاده کرد. [18]. آنها در مطالعات خود فرض کردند که توربین بادی حتی اگر سرعت باد از سرعت قطع بیشتر شود به کار خود ادامه خواهد داد. آنها اجازه دادند تا انحرافات انحرافی تا 45 درجه برای منعکس کننده تغییر جهت باد باشد. این مفروضات می تواند منجر به بارهای بیش از حد بر روی برج و پره های توربین بادی شود. پیکربندی‌های منتخب طوفان شامل حرکت طوفان با سرعت انتقال ثابت در مسیرهای خاص نسبت به باد محیطی بود. آنها طوفان هایی با خطوط مسیری که بین +45 درجه و 45- درجه نسبت به جهت باد قرار داشتند را انتخاب کردند. فقط طوفان های رو به باد، که ممکن است مستقیماً در مقابل توربین بادی رخ دهند، در نظر گرفته شدند. در نتیجه، مطالعات کاملاً ماهیت غیرقابل پیش‌بینی فوران‌ها را که می‌تواند در هر مکانی نسبت به برج توربین بادی رخ دهد، در نظر نگرفت. اخیرا احمد و همکاران. [19] یک مدل عددی را توسعه داد که قادر به بررسی واکنش توربین بادی در زیر فوران‌ها با توجه به نامشخص بودن اندازه و مکان انفجار و تغییرپذیری زاویه شیب پره‌ها بود. مدل عددی توسعه‌یافته، HIW-TUR، میدان‌های بادی با شدت بالا، مانند فوران‌ها و گردبادها را که بر اساس شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) همراه با یک مدل ساختاری توربین بادی ایجاد شده‌اند، در خود جای داده است. مخفف “HIW” مخفف High-Intensity wind است و اصطلاح “TUR” به توربین اشاره دارد. در مطالعه آنها، یک مطالعه پارامتری بر روی یک مدل توربین بادی واقعی با در نظر گرفتن تعداد زیادی از تنظیمات فوران و زوایای مختلف شیب پره انجام شد. آنها تغییر پاسخ توربین بادی را با پیکربندی فوران و تغییر زوایای گام پره ها ارزیابی کردند. آنها تنظیمات بحرانی انفجار را تعیین کردند که منجر به اعمال فشار بر برج و تیغه ها می شود. آنها همچنین زاویه گام بهینه تیغه را شناسایی کردند که اثر انفجار برج و تیغه ها را به حداقل می رساند. تحقیق دیگری توسط پراتاپا و همکاران انجام شد. [20] برای مطالعه توربین های بادی تحت فوران. میدان باد نزولی مورد استفاده در مطالعه آنها یک جزء متوسط با تلاطم روی هم قرار گرفته بود. آنها یک مدل فوران موقتی را پیشنهاد کردند که در آن مولفه غیر متلاطم میدان باد از یک عکس لحظه ای مشخص از شبیه سازی CFD استخراج می شود و سپس برای به دست آوردن کل میدان باد یک فوران با خواص فیزیکی مناسب، پس پردازش می شود. مولفه آشفته با استفاده از توابع چگالی طیفی توان مبتنی بر فوریه و توابع انسجام تولید شد.

تمام مطالعات فوق به صورت عددی انجام شد. در همین حال، تنها یک مطالعه تجربی توسط Zhang و همکاران انجام شد. [21] در یک مدل توربین بادی آئروالاستیک کوچک شده که در معرض یک باد ریز انفجاری ایجاد شده با استفاده از شبیه‌ساز ریز انفجار جت برخوردی است. بارهای باد بر روی مدل توربین بادی برای مکان‌های شعاعی مختلف و همچنین برای زوایای مختلف جهت‌گیری توربین بادی با توجه به جهت باد ورودی اندازه‌گیری شد. آنها به این نتیجه رسیدند که بادهای پایین‌باران بار بیشتری را بر توربین‌های بادی نسبت به بادهای لایه مرزی وارد می‌کنند و تأثیر دینامیکی بادهای ریز انفجاری روی توربین‌های بادی با پره‌های آزاد چرخش بیشتر از پره‌های ثابت است.

به طور خلاصه، مطالعات قبلی یافت شده در ادبیات، اهمیت در نظر گرفتن بارهای تولید شده توسط فوران های پایین را هنگام طراحی توربین های بادی نشان می دهد. با این حال، مقررات بارگذاری شبیه‌سازی اثرات بحرانی انفجار بر روی توربین‌های بادی، نه در ادبیات گزارش شده‌اند و نه در کدهای طراحی مشخص شده‌اند. به این ترتیب، هدف مطالعه حاضر پر کردن این شکاف و پیشنهاد مفاد بارگیری پایین‌بار برای توربین‌های بادی است. توسعه این مقررات دو مرحله را دنبال می کند. فاز اول بر شناسایی اثرات اوج مولفه میانگین متحرک سقوط و تعیین پروفایل های بحرانی مرتبط تمرکز دارد. این با استفاده از مدل عددی، HIW-TUR انجام می شود. در فاز دوم، اثر اغتشاش فوران از طریق تعیین ضریب پاسخ رگباری فوران برای تقویت اثر مولفه میانگین در نظر گرفته می‌شود. این با استفاده از کد منبع باز، FAST انجام می شود.

این مطالعه با ارائه توصیفی از مدل عددی، HIW-TUR، شامل مولفه میانگین متحرک میدان باد فوران‌بار و مدل ساختاری توربین بادی آغاز می‌شود. تعیین پروفیل های بحرانی تحت مولفه میانگین برای یک توربین بادی عمومی مستلزم در نظر گرفتن تمام متغیرهایی است که ممکن است در طراحی توربین بادی در نظر گرفته شود و در عین حال تمام تنظیمات احتمالی سقوط (اندازه و مکان) در نظر گرفته شود. با توجه به تعداد زیاد متغیرهای طراحی، دستیابی به این کار بسیار دشوار است. بر اساس مطالعات قبلی و شیوه‌های رایج، روابط بین متغیرهای طراحی توربین بادی ایجاد شد که امکان کاهش تعداد متغیرهای مستقل را به سه (قطر روتور، ارتفاع توپی و نوع ایرفویل) فراهم می‌کرد. افزودن متغیرهای مرتبط با پیکربندی downburst، بیش از یک میلیون تحلیل انجام شده است که تمام مقادیر بالقوه توربین بادی و متغیرهای انفجار را پوشش می دهد. از نتایج برای به دست آوردن پروفیل های طراحی استفاده می شود که اثر بحرانی انفجارها را بر روی برج و پره ها شبیه سازی می کند و می تواند در طراحی یک توربین بادی عمومی استفاده شود. به منظور گنجاندن اثر اغتشاش فوران در مفاد طراحی پیشنهادی، تلاطم با استفاده از تکنیک تولید جریان تصادفی گسسته سازگار (CDRFG) با استفاده از پارامترهای آشفتگی فوران‌بار موجود در ادبیات تولید می‌شود. سپس تحلیل‌های دینامیکی تحت توربولانس با استفاده از FAST برای توربین‌های بادی در حالی که سه متغیر طراحی توربین را تغییر می‌دهند، انجام می‌شود. هیچ گونه تغییری در پیکربندی فوران فوران در این بخش از مطالعه در نظر گرفته نشده است، زیرا هدف تعیین ضریب پاسخ رگبار فوران در ارتباط با پیکربندی بحرانی سقوط فوران تعیین شده برای مولفه میانگین است. سپس ضریب پاسخ رگباری فوران با پروفیل های مولفه متوسط قرار می گیرد تا مجموعه کاملی از مقررات طراحی ارائه شود. در نهایت، یک مطالعه موردی در نظر گرفته می‌شود تا کاربرد مفاد طراحی ریزش فوران توسعه‌یافته را نشان دهد و با موارد بار سینوپتیک شدید تعریف‌شده در آیین‌نامه کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی برای توربین‌های بادی [4] مقایسه شود.

قطعات بخش

مولفه میانگین متحرک میدان باد طوفانی

مولفه میانگین میدان باد نزولی که در HIW-TUR ادغام شده است بر اساس شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) انجام شده توسط کیم و هانگان [22] با استفاده از تکنیک RANS است. میدان باد نزولی دارای یک جزء شعاعی (افقی) و یک جزء محوری (عمودی) است که هر دو در فضا متفاوت هستند. مولفه میانگین میدان باد نزولی در زمان تغییر می کند و بنابراین به آن “میانگین متحرک” می گویند. روشی برای افزایش مقیاس سرعت شعاعی (V _RD ) و سرعت عمودی (V _VR)

روش به دست آوردن پروفایل های طراحی

توسعه پروفیل‌های طراحی که اثر بحرانی فوران‌های بادی را شبیه‌سازی می‌کنند، مستلزم انجام دو وظیفه جداگانه است. اولین کار شامل تعیین پروفیل های بحرانی مرتبط با مولفه میانگین میدان باد نزولی است. این امر مستلزم انجام یک مطالعه پارامتری گسترده با تغییر همه پارامترهای هندسی توربین بادی است که برج و پره‌های یک توربین بادی عمومی را تعریف می‌کنند. برای هر پیکربندی توربین بادی، تعداد زیادی تحلیل نیاز دارد

متغیرهای طراحی برای توربین های بادی

طراحی یک توربین بادی شامل انتخاب متغیرهای زیادی است. این متغیرها که در شکل 2 نشان داده شده اند عبارتند از:

من.
ارتفاع توپی برج، _{توپی H.}
ii
قطر روتور، _{روتور D.}
III.
نوع بخش ایرفویل برای تیغه ها، فویل _A.
IV
قطر پایه برج، _پایه D.
v
قطر بالای برج، D _بالا .
vi.
ضخامت دیوار برج، t _دیوار .
vii.
برآمدگی هاب، ای _هاب .
viii.
قطر توپی، _{توپی D.}
ix
قطر ریشه تیغه ها، _ریشه D.
ایکس.
طول وتر تیغه ها، C.

انجام یک مطالعه پارامتریک شامل

مطالعه تحت مولفه میانگین ریزش

همانطور که در بالا ذکر شد، ارتفاع توپی، _توپی H ، قطر روتور، _روتور D و نوع ایرفویل، _فویل A ، پارامترهای مستقلی هستند که در مطالعه پارامتری در نظر گرفته شده‌اند. دامنه مقادیر در نظر گرفته شده در این مطالعه به شرح زیر است:

من.
_روتور D از 25 متر تا 200 متر با افزایش 25 متر.
ii
_توپی H از 25 متر تا 200 متر با افزایش 25 متر.

مطالعه پارامتری ترکیبات احتمالی _روتور D و مقادیر _هاب H را با یک محدودیت عملی در نظر گرفت که D _روتور ≤ 1.5 H _هاب برای ایجاد فاصله معقول بین

اعتبارسنجی مؤلفه میانگین ریزش

مدل‌های پایه توربین بادی در مالکوم و هانسن [24] و احمد و همکاران گزارش شده‌اند. [19] در این بخش برای اعتبارسنجی پروفیل‌های سرعت بحرانی پیشنهادی استفاده می‌شود و خواص آنها در جدول 1 ارائه شده است _. مطالعه پارامتریک گسترده (M _P ). هم برای برج و هم برای تیغه ها، ضریب (λ) به عنوان نسبت بین M _P و M _D (یعنی λ = M _P / M _D ) در

تجزیه و تحلیل دینامیکی از جمله تلاطم نزولی

در بخش قبل، پروفایل های بار شبیه سازی اثر مولفه میانگین یک ریزش انفجار توسعه داده شد. این پروفایل ها با پیکربندی های ریزش انفجار (اندازه و مکان) مرتبط هستند که بیشترین بارهای ناشی از مولفه سرعت متوسط را ایجاد می کنند. با این حال، مجموعه کاملی از مقررات بارگیری باید بارهای اضافی وارد شده توسط تلاطم ریزش را نیز در نظر بگیرد. بارها را می توان با تلاطم از طریق پس زمینه و اثرات تشدید بزرگ کرد. این

خلاصه ای از مفاد طرح پیشنهادی

در کد IEC 61400-1 [4]، اثر دینامیکی ناشی از تلاطم تحت بادهای سینوپتیک شدید از طریق یک ضریب پاسخ وزش باد که مشخصات سرعت متوسط را بزرگ‌نمایی می‌کند، بیان می‌شود. این ضریب پاسخ وزش باد برای سرعت باد، جذر ضریب تقویت دینامیکی است که برای نیروها در بخش قبل ایجاد شده است، به شرح زیر: $G_{DT} = \sqrt{{DAF}_{Tower}}$ $G_{DB} = \sqrt{{DAF}_{Blades}}$ که در آن، G _DT و G _DB به ترتیب ضریب واکنش رگبار انفجار برای برج و تیغه ها هستند. با توجه به اطلاعات

مثالی برای مقایسه پروفیل های پیشنهادی فوران در مقابل پروفیل های باد شدید کد IEC

در این بخش، نمونه‌ای برای تعیین لحظه‌های طراحی فروپاشی در پایه برج و در ریشه‌های تیغه‌های یک مدل توربین بادی با استفاده از پروفیل‌های طراحی فروپاشی پیشنهادی در این مطالعه ارائه می‌شود. سپس، نتایج با نتایج تعیین شده با استفاده از پروفیل های باد شدید توصیه شده توسط کد طراحی [4] و گزارش در بخش 5.2 مقایسه می شود. مدل توربین بادی، توربین بادی محور افقی سه پره (S70/1500 HAWT) است که توسط دای و همکاران مورد مطالعه قرار گرفت. [47] و احمد و همکاران. [19].

نتیجه

با توجه به دانش نویسندگان، مطالعه حاضر اولین موردی است که مفاد بار طراحی را ارائه می‌کند که اثر بار بحرانی انفجارها را بر روی سازه‌های توربین بادی شبیه‌سازی می‌کند. این مقررات در دو مرحله تدوین شده است. فاز اول بر شناسایی اثرات اوج مولفه میانگین متحرک سقوط و تعیین پروفایل های بحرانی مرتبط تمرکز دارد. این با استفاده از مدل عددی، HIW-TUR انجام می شود. در فاز دوم، اثر تلاطم نزولی است