Performance Analysis and Optimization of a Helical Cross-Flow Water Turbine

Abstract

Bu çalışmada, bir helisel çapraz akışlı su türbininin performans analizini, Comsol Multiphysics kullanılarak incelemek için bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği modeli tasarlanmıştır. Bir helisel çapraz akışlı su türbininin güç çıkışı ve tork gibi ana performans özelliklerini tahmin etmek için, simülasyon için kullanılması doğru, hızlı ve oldukça basit olan sayısal bir model geliştirilmiştir. Türbin etrafındaki akış alanı, bir k-ω türbülans modeli ve kararlı durum formülasyonu kullanılarak Comsol CFD Modülündeki Rotating Machinery özelliği ile çözülmüştür. Navier-Stokes denklemleri, iç alanda dönen bir çerçeve içinde ve dış alanda sabit koordinatlarda düzenlenen modelde kullanılmıştır. İç ve dış alan arasındaki sınır koşulu, momentumu iç bölgedeki akışkana aktaran bir süreklilik sınır koşuludur. Bu model ayrıca, bu çalışma için hesaplama süresini önemli ölçüde hızlandıran Frozen Rotor çalışma yöntemini kullanır. Ardından Comsol Optimizasyon Modülü ile çapraz akışlı su türbininin performansını artırmak için yeni bir açısal hız profili araştırılmıştır. Böylece değişken hızlı bir türbin kontrol yöntemi geliştirilmiştir. Bu kontrol yönteminin performansı, sabit açısal hız kontrol yöntemi altında çalışan bir türbin ile karşılaştırılmıştır. Yeni açısal hız kontrol yöntemi türbin veriminde, sabit hız kontrol metodu ile karşılaştırıldığında, %3'lük bir artış sağlamıştır.