أثر سطح الأرض على باوندري لاير الانتقال في ويند توربينز

فيزياء عملية الانتقال

إن طبقة الحدود منطقة رقيقة متاخمة لسطح تربين الرياح حيث تهيمن القوى المتأصلة على التدفق، وفي هذه الطبقة، فإن سرعة التحولات الجوية من الصفر على سطح النصل (بسبب حالة عدم الشفاه) إلى سرعة التدفق الحر المقيسة بعيدا عن النصل، وتصرف هذه طبقة الحدود أمر مركزي بالنسبة للقوات الأيرودينامية التي تقود عملية الاسطوانات.

وتوجد طبقات حدية في ولايتين رئيسيتين: لامبارات واضطرابات، وفي طبقة حدودية حرارية، تتحرك الجسيمات السوائل في طبقات سلسة وموازية مع الحد الأدنى من الخلط، وتنتج هذه الدولة جر الاحتكاك الجلدي المنخفض ولكنها عرضة للانفصال تحت ضغط درجات ضغطية سلبية، حيث يزيد الضغط على اتجاه التدفق، ويؤدي الفصل إلى فقدان مفاجئ للرفع وزيادة الضغط، وهي ظاهرة معروفة باسم " الغلي " .

وتتميز طبقات الحدود المتحركة بالحركة غير النظامية التي تنطوي على مزيج كبير من المجرى المختلط، فبينما تولد جرة احتكاك جلدية أعلى نتيجة للمزيد من تبادل الزخم، فإنها أكثر مقاومة للفصل، ويمكن أن تظل الطبقات المتحركة ملحقة بالسطح الصاروخي تحت مستويات ضغط قوية تؤدي إلى فصل طبقة من الترميزات الريحية، التي تعمل على نطاق واسع من زوايا الهجومية وسرعة الرياح.

ويُسمى نقطة الانتقال على طول الشفرة التي تتحول فيها طبقة الحدود من طبقة الليمونار إلى حالة الاضطراب، ويتوقف موقعها على عدة عوامل: رقم رينولدز (على طول الكريسب وسرعة التدفق)، ومستويات التدرج في الضغط، والاضطرابات في المسار الحر، والأهم من ذلك بالنسبة لهذه المناقشة، والاختلال السطحي.

الآليات الانتقالية في ظروف ويند توربين

ولا تحدث عملية الانتقال تلقائيا، بل تبدأها اضطرابات تنمو داخل طبقة القاع إلى أن تنهار إلى اضطراب، ويمكن لعدة آليات أن تدفع هذه العملية إلى:

Natural transition] occurs via the amplification of Tollmien-Schlichting (T-S) waves, instabilities that arise from small disturbances in the free stream. This path is typical on very smooth surfaces with low free-stream turbulence.
]Bypass transition happen when strong disturbances — such as high free-stream turbulence or large surface roughhelm the laminar layer before T-S waves can develop. This is the dominant mode on wind turbine blades, which are exposed to atmospheric turbulence and often have rough or contaminated surfaces.
Separation-induced transition] occurs when a laminar boundary layer separates, creating a free shear layer that quickly become unstable and transitions to turbulence. The turbulent flow may then reattach, forming a laminar separation bubble (LSB). LSBs can dramatically alter pressure distributions and are highly sensitive to surface.

ويساعد فهم هذه الآليات المهندسين على التنبؤ بمدى تأثير التقريب على الانتقال في ظروف التشغيل في العالم الحقيقي.

السعال السطحي: المصادر والتصنيع

إن تقريب السطح على شفرات التوربين الريحية أمر لا مفر منه، وهو ناشئ عن مصادر متعددة:

Manufacturing imperfections:] Blades are typically built from fiberglas or carbon-fiber composites using hand-layup or vacuum infusion processes. Even with high-quality molds, the cured surface retains a certain texture. Gel coats and release agents can also leave residual roughness.
Leading Edge Erosion: Over years of operation, blades are bombarded by rain droplets, hail, Sand, and other airborne particles. The leading edge is particularly vulnerable, lose its smooth surface to erosion-forming holes, gouges, and a rough " sandpaper " texture.
Contamination:] Dust, salt spray, insect strikes, bird drops, and icecum all add non-uniform roughness. In offshore environments, saltry buildups accelerate corrosion and roughness growth.
Repairs and coatings:] Field-applied repairs often produce surface discontinuities. Anti-icing coating or tape for leading edge protection introduce their own texture.

الكمية

ويميز المهندسون التقريب باستخدام البارامترات القياسية التي تقاس بواسطة أجهزة التنميط أو الماسحات الليزرية، والأكثر شيوعا هي:

Ra (Arithmetic average)]: متوسط الانحراف المطلق لسطح السطح من خط النسق المتوسط.
Rz (Average Maximum Height)]: متوسط الذروة الخمسة الأعلى وخمسة وديانات أدنى على طول العينات. Rz is often used for modeling transition because large isolated features can act as trip wires.
K (طول الوعرة مقارنة بسمك التشريد على طبقة الحدود): البارامترات غير الأبعاد الحاسمة للتنبؤ عندما يؤدي التقريب إلى الانتقال.

إن موقع وتوزيع مسألة التقريب بقدر حجمها، إذ يؤثر التقريب بين الوطأة والركود على منطقة الركود وعلى تطوير طبقة الحدود المبكرة، في حين أن الاختناق في مرحلة السطو أقل تأثيرا على الانتقال، ولكنه لا يزال يؤثر على احتكاك الجلد.

كيف أن السعال يؤثر على عملية الانتقال

ويتمثل الأثر الرئيسي للخصوبة السطحية في العمل كمصدر للاضطرابات التي تتسارع في التحول، بل إن البهرات الصغيرة يمكن أن تخلق اضطرابات محلية في السرعة تنمو في أسفل المجرى، والعلاقة بين ارتفاع التقريب وسماكة طبقة الحدود المحلية تحدد الاستجابة.

نظام الحد من الفقر الحرج والانتقال

وفي النموذج المبسط للانتقال بسبب الشبهة، ينظر المهندسون في ثلاثة نظم تستند إلى نسبة ارتفاع التقريب (ك) إلى سميك التشريد على طبقة الحدود (الكم):

الاختناق غير المشروع (k/oli] << 1): إن الخشونة مغمورة بالكامل في المقاتل الفرعي المتأصل، وهي تسبب اضطراباً لا يذكر في التدفق الحاد ولا تؤدي إلى الانتقال بنفسها، غير أنها قد تغير قدرة طبقة الحدود على استيعاب الاضطراب في المسار الحر.
(Transitional roughness (k/log* - 1)]: The roughness elements protrude through the sublayer into the buffer layer, they generate hairpin vortices and other coherent structures that amplify disturbances. This regime is highly sensitive: small changes in roughness altitude or Reynolds number can shift the transition point dramatically upstream.
Fully rough regime (k/* ⁇ 1)]: Individual roughness elements act as obstacles, creating recirculation regions and intense mixing. Transition occurs almost immediately downstream of the roughness. The flow becomes fully turbulent from that point, making the location of transition insensitive to further increases in roughness altitude.

وبالنسبة للطوابق الريحية، كثيرا ما تعمل الشفرات في النظام الانتقالي أو التقريبي تماما بالقرب من الطرف الرئيسي بسبب التآكل والتلوث، مما يدفع إلى الانتقال إلى الطرف الرئيسي، ويلغي فعليا أي فوائد للتدفقات المتدنية قد تكون موجودة على نصل نظيف.

التفاعل مع جهاز الإنذار الحر

أما مستويات الاضطراب الجوي في بيئة مزارع الرياح فهي عادة 5-15 في المائة، وهي مرتفعة جدا مقارنة بتطبيقات الطيران (التي غالبا ما تكون 1 في المائة)، وقد يؤدي الاضطراب الشديد في المسار الحر إلى الانتقال من جانبه، حتى على سطح سلس، ويمكن أن يتضخم هذا الأثر بزيادة قدرة طبقة الحدود على استيعاب الكتل والثبات الوافدة القادمة.

المقايضة الهوائية: دراغ، ليفت، ستال

إن التحول إلى نقطة الانتقال نحو الطرف الرئيسي بسبب التقريب له عواقب هوائية رئيسية: زيادة جر الاحتكاك الجلدي وتحسين السلوك الانفصالي، وللقيام بتقييم الأثر الصافي على أداء التربين، يجب على المرء أن ينظر في النصل بأكمله ومظروف التشغيل.

زيادة دريج فريشن سكين

وينتج شفرة مسببة للاضطرابات تماما احتكاك جلدي أعلى بكثير من واحد ذي تدفق ممتد من حيث التدفق الحرفي، بينما يرتفع معامل الاحتكاك الجلدي المحلي بالنسبة لطبقة الحدود المضطربة بنحو ٢-٤ أمثال طبقة حرارية لنفس رقم الرايينولدز، وفي شفرة نموذجية تبلغ ٤٠ مترا، يمكن أن يزيد مجموع جر الاحتكاك الجلدي بنسبة ١٠-١٥ في المائة عندما يصبح المقياس تقريبي، ويتحول إلى إنتاج سنوي في الطاقة.

تحسين مقاومة الفصل

والمنافع المزعجة هي أن طبقات الحدود المضطربة يمكن أن تصمد أمام درجات الضغط المعاكسة القوية قبل الانفصال، وعلى جانب الشفرة، قرب حافة المقطورة، يصبح مستوى الضغط معاكسا بشدة عند زوايا الهجوم المرتفعة، حيث يمكن أن تفصل طبقة الحدود المتلاشية هنا، وتهيمن على المكبس، وتنهار التدفق الحاد، على النقي، لا يزال ملحقا به أكثر مما يؤدي إلى زيادة في عدد الزوايا.

مقايضة الطاقة الصافية

إن مسألة ما إذا كان التقريب يساعد أو يعوق الأداء العام تتوقف على استراتيجية التحكم في التربين وعلى ظروف الرياح المعتادة، وبالنسبة للاضطرابات المتغيرة السرعة التي تسيطر عليها الحزمة (التصميم الحديث المهيمن)، فإن الشفرة تُعدّل باستمرار للحفاظ على الزوايا المثلى للهجوم، وفي هذه النظم، يميل الأثر السلبي لزيادة الجر من التقريب إلى الهيمنة، لأن التربين يمكن أن يتجنب ظروفاً من دون الاعتماد على الانتقال المبكر.

وبالنسبة للتوربينات المجهزة بالبطاقات (التصميمات القديمة ذات الملعب الثابت)، فإن الحالة أكثر دقة، فالضعف الذي يشجع الانتقال السابق يمكن أن يؤدي بالفعل إلى تحسين عمليات الاستيلاء على الطاقة بسرعة الرياح العالية من خلال تأخير التوقف عن العمل ومنع انخفاضات الطاقة المفاجئة، غير أن الاستيلاء على الطاقة عموما على توزيع الرياح بالكامل، حتى في هذه الأربينات، يُخفض عادة بسبب زيادة سرعة الريح.

الآثار العملية لتصميم وصيانة توربين

وقد أدى فهم أثر الشبهة إلى ممارسات متعددة في مجال تصميم الشعارات وصنعها وتشغيلها.

Leading Edge Protection

ويستخدم أكثر التدابير المضادة شيوعاً في تطبيق شريط وقائي أو معاطف على الطرف الرئيسي، وتُستخدم أشرطة بوليوريثان، وأجهزة التصفيق غير المحمي، والدروع المقاومة للتحات للحفاظ على سطح سلس لسنوات، ويمكن أن تمتد المعاطف الحديثة فترة الضعف بمقدار 5-10 سنوات مقارنة بالرموز غير المحمية، ولكن بمجرد أن يبدأ التصفير في الفشل بسرعة.

المواصفات النهائية السطحية

ويحدد المصانع أقصى قيم الأشعة المسموح بها لسطح الصدر الصاروخي، ومن الناحية النموذجية، فإن الجانب الشائك بالقرب من الطرف الرئيسي يتطلب أنسب نهاية (Ra 0.5 ميكروم) لتعظيم تدفق اللحوم، ويمكن لجانب الضغط و الطرف المقطوع أن يتحملا ارتفاعا في التقريب (Ra vent 2-3 ميكروم) لأن ضغط التدرج فيها يميل إلى قمع الانفصال على أي حال.

رصد وتنظيف السعال في الموقع

وتشمل بعض التربينات الآن أجهزة الاستشعار مثل رقائق الفكازومتري، أو أجهزة التكليل، أو كاميرات مجهزة بالبلود، لاكتشاف التغيرات في الحالة السطحية، وإذا تجاوز التقريب عتبة التراكم الترابي أو التآكل المبكر، يمكن البدء في وضع جدول للتنظيف، كما أن نظم التنظيف الآلية التي تزحف على طول النصل في طور التطوير، وفي البيئات الخارجية، يمكن أن يعاد الغسيل المقرر كل ٦-١٢ شهرا إلى استعادة جزء كبير من البقايا.

معدل الاعتداد كمساحة تصميم

بدلا من مكافحة الشبهات، يقترح بعض الباحثين تصميم شفرات متعمدة مع الشبهات الخاضعة للرقابة لتعظيم الموقع الانتقالي لمراكز تشغيل محددة، على سبيل المثال، شريط تقريبي صغير قرب 5.5 كيلوغرام يمكن أن يصلح الانتقال، ويزيل عدم التيقن من الانتقال الطبيعي، ويجعل أداء النصل أكثر قابلية للتنبؤ به، وهذا النهج شائع في تصميم أجنحة الطائرات (استعمال خطوط الرحلات) ويجري الآن استكشافه للتربينات.

النهج الحاسوبية والتجريبية

ويتطلب تحديد الأثر الدقيق للشبهة على أداء النصل في توربين أدوات متطورة.

الديناميات الحاسبية للغاز الفلوري مع النماذج الانتقالية

ولا يُستحوذ المذيبات التي تُستخدم في إطار المذيبات التي تُستخدم في إطار برنامج " نافير - ستوكس " (Rynolds-Averaged Navier-Stokes) وحدها على عملية الانتقال بدقة ما لم يقترن ذلك بنموذج الانتقال (Laa-Reaa) الذي يستخدم على نطاق واسع في تصميمات التربين الريحية، وهو ما يمثل تقريباً للسطح بتعديل رقم الحرجية (Reynolds) الذي يبدأ فيه الانتقال.

اختبار النفق الفائز

وتختبر في الأنفاق الريحية شظايا من الصوادل ذات الشبهات الاصطناعية (مثلاً، خام الحبوب الموزعة أو أسلاك الرحلات المتميزة)، وتفرض تدابير الرفع والسحب وتوزيع الضغط مباشرة عقوبات جوية، وهذه الاختبارات حاسمة في التحقق من نماذج الديوكسينات، وفي تحديد كمية المفاضلة بين التأخير في السحب والانفصال في ظل ظروف خاضعة للمراقبة.

تقييم ميداني مع ليدار والرادار

وتُعدّ هذه الاضطرابات التي تعمل بشكل متزايد من السائل (الكشف عن النور وتدبيره) لقياس حقل الرياح الداخلة، وبأجهزة ضغط مبلّغ أو أجهزة تسارع لتخصيب طبقة الحدود، وتوفر هذه الحملات بيانات عن العالم الحقيقي عن كيفية تطور الشبهة بمرور الوقت وكيف يضاهي تدهور منحنى الكهرباء، وهذه البيانات أساسية لإعادة تحديد جداول الصيانة ووضع عتبات واقعية للوسبة.

خاتمة

إن التقريب السطحي هو جانب لا يمكن تجنبه من عمليات التوربين الريحية التي تغير بشكل أساسي انتقال طبقة الحدود، إذ أن التحول إلى نقطة الانتقال في أعلى المجرى يزيد من جر الاحتكاك الجلدي، ويحسن أيضا مقاومة فصل التدفق، ويظل الأثر الصافي على استخلاص الطاقة سلبيا بوجه عام بالنسبة للاضطرابات الحديثة التي تسيطر عليها الأطراف، مما يؤدي إلى خسائر سنوية في إنتاج الطاقة تبلغ ٢-٥ في المائة على حياة النسيج.