Η επίδραση της επιφάνειας Υφή στην ανύψωση και σύρετε σε ανεμοστροβίλους λεπίδες

Η επίδραση της επιφάνειας Υφή στην ανύψωση και σύρετε σε ανεμοστροβίλους λεπίδες

Ενώ το σχήμα και η γωνία της λεπίδας είναι ευρέως μελετημένα, η επίδραση της υφής της επιφάνειας στην αεροδυναμική απόδοση συχνά υποτιμάται. Αυτό το άρθρο επεκτείνεται στο πώς η υφή της επιφάνειας επηρεάζει άμεσα την ανύψωση και την έλξη ⁇ οι δύο κυβερνητικές δυνάμεις που καθορίζουν πόσο αποτελεσματικά μια λεπίδα μετατρέπει τον άνεμο σε περιστροφική ενέργεια.

Αεροδυναμικά βασικά: Ανύψωση και σύρσιμο

Η ανύψωση είναι η αεροδυναμική δύναμη κάθετη προς την εισερχόμενη κατεύθυνση ανέμου, που δημιουργείται από τη διαφορά πίεσης μεταξύ των επιφανειών άνω και κάτω λεπίδας. Δρα παράλληλα με τη ροή, αντιστέκοντας την κίνηση της λεπίδας. Σε λεπίδες ανεμογεννητριών, η περιστροφή κίνησης ανύψωσης, ενώ η έλξη καταναλώνει ενέργεια και μειώνει την έξοδο. Η αναλογία ανύψωσης προς σύρτη (L/D) είναι επομένως μια κρίσιμη μετρική: υψηλότερη L/D σημαίνει καλύτερη απόδοση.

Η αεροδυναμική λεπίδα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στη συμπεριφορά του στρώματος ορίων ⁇ η λεπτή περιοχή του αέρα δίπλα στην επιφάνεια. Ένα λείο, laminar στρώμα ορίων μειώνει την τριβή του δέρματος, αλλά είναι επιρρεπής σε διαχωρισμό κοντά στην άκρη που ακολουθεί, οδηγώντας σε μια ξαφνική πτώση στην άνωση. Ένα ταραχώδες στρώμα ορίου, αν και υψηλότερο στην τριβή του δέρματος, μπορεί να παραμείνει προσκολλημένο περισσότερο, καθυστερώντας το σταύλο και τη διατήρηση της άνωσης σε υψηλότερες γωνίες επίθεσης.

Πώς η υφή επιφάνειας επηρεάζει το στρώμα ορίων

Η υφή της επιφάνειας μεταβάλλει την ανάπτυξη του στρώματος ορίων. Τα ραβδώματα, τα λακκάκια, οι αυλακώσεις και άλλες μικρο- ή μακρο-εξόδων μπορούν να στραφούν τη ροή από το laminar σε ταραχώδη σε ελεγχόμενη τοποθεσία. Με αυτό τον τρόπο, μπορούν να αποτρέψουν τον πρόωρο διαχωρισμό και να ενισχύσουν την ανύψωση, ειδικά υπό μεταβλητές συνθήκες ανέμου.

Laminar εναντίον Turbulent Flow Management

Σε ιδανικές συνθήκες, μια τέλεια λεία λεπίδα θα ελαχιστοποιούσε την έλξη. Ωστόσο, η λειτουργία του πραγματικού κόσμου περιλαμβάνει σκόνη, βροχή και συσσώρευση εντόμων που διαταράσσει την ομαλότητα. Οι σκοπιμότητες υφής επιφάνειας μπορούν να σχεδιαστούν για να δημιουργήσουν πλεονεκτική αναταραχή χωρίς να προκαλέσουν υπερβολική τριβή. Για παράδειγμα, τα παϊδάκια με την έμπνευση καρχαρία (που ευθυγραμμίζονται με τη ροή) μειώνουν την ταραχώδη τριβή του δέρματος μέχρι 10% περιορίζοντας την ανταλλαγή ορμής μεταξύ των ρευμάτων. Αντιστρόφως, τα λακκάκια ⁇ όπως αυτά σε μια μπάλα του γκολφ ⁇ δημιουργούν ένα λεπτό ταραχώδες στρώμα ορίων που προσκολλάται στην επιφάνεια περισσότερο, αυξάνοντας έτσι την ανύψωση σε υψηλές γωνίες επίθεσης.

Τεχνολογία ραβδώσεων

Οι ραβδώσεις είναι διαμήκεις αυλακώσεις, συχνά σε σχήμα V ή σκαλωσιές, που τρέχουν κατά μήκος της κλίμακας της λεπίδας. Έχουν ερευνηθεί εκτενώς για εφαρμογές αεροπλοΐας και θαλάσσης. Για ανεμογεννήτριες, οι ταινίες με ραβδώσεις μπορούν να εφαρμοστούν αναδρομικά στις υπάρχουσες λεπίδες. Μελέτες που δημοσιεύτηκαν στο [[LFT:0]]]Περιοδικό Ανανεώσιμων και Αειφόρων Πηγών Ενέργειας[[LFT:1] έχουν δείξει ότι οι σκεπασμένες με ραβδώσεις λεπίδες μπορούν να βελτιώσουν την ετήσια παραγωγή ενέργειας κατά 3% έως 6%, ανάλογα με τις συνθήκες ανέμου του τόπου. Ο μηχανισμός είναι ότι τα παϊδάκια τροποποιούν τις εγγύς τοίχος, μειώνοντας την έλξη ενώ δεν επηρεάζουν σημαντικά την ανύψωση.

Σλιπς

Τα μοτίβα λακκοειδών δημιουργούν μια επιφάνεια που επηρεάζει τη μετάβαση στρώματος ορίων. Οι καταθλίψεις παράγουν μικρές βόρτικες που ενεργοποιούν το στρώμα ορίων, διατηρώντας το προσαρτημένο περισσότερο. Αυτή η καθυστέρηση καθυστερεί και ενισχύει το μέγιστο συντελεστή ανύψωσης. Τα πειράματα σε τμήματα λεπίδων με κυκλικά λακκάκια (βάθος 0,5% της χορδής) έδειξαν αύξηση άνω του 8% και μείωση της αντίστασης κατά περίπου 12% σε μέτριες γωνίες επίθεσης, όπως αναφέρεται στο Wind Energy Science].

Επιρροή στην απόδοση ανύψωσης και σύρσιμος

Σε χαμηλές γωνίες επίθεσης (άνεμος που βλέπει απευθείας τη λεπίδα), μια ομαλή επιφάνεια μπορεί να αποδώσει το καλύτερο L/D επειδή κυριαρχεί η έλξη τριβής. Καθώς η γωνία αυξάνεται, μια υφή που διατηρεί τη συνημμένη ροή μπορεί να ξεπεράσει πολύ μια ομαλή που διαχωρίζει. Για τους σύγχρονους στροβίλους μεταβλητής-τυλιγμένης ζύγισης, αυτό σημαίνει ότι η υφή της επιφάνειας μπορεί να βελτιστοποιηθεί για τις πιο συχνές ταχύτητες του ανέμου, όχι μόνο συνθήκες αιχμής.

Ποσοτικός προσδιορισμός αλλαγών στην ανύψωση και τη σύρση

Οι μετρήσεις των αεροσήραγγας και η υπολογιστική δυναμική ρευστών (CFD) έχουν παράσχει λεπτομερή δεδομένα. Για παράδειγμα, μια μελέτη του 2019 σε αεραγωγό DU 96-W-180 (που χρησιμοποιείται συχνά σε μεγάλους στροβίλους) συγκρίθηκε με λεία, ραβδωτή και λακκωτή επιφάνεια. Η λακκωτή επιφάνεια αύξησε το μέγιστο συντελεστή ανύψωσης από 1,45 σε 1,62 και επίσης διευρύνθηκε η γωνία στάσης κατά 3°. Η επιφάνεια των ⁇ βλίων μείωσε τον ελάχιστο συντελεστή έλξης κατά 0,0015, που μεταφράζεται σε σχετική μείωση της αντίστασης περίπου 8%. Και οι δύο τροποποιήσεις μετατόπισαν την κορυφή L/D προς υψηλότερες γωνίες, η οποία είναι ευεργετική για τους στρόβιλους που παρουσιάζουν μεταβλητό άνεμο.

Πρακτικές παρατηρήσεις για την κατασκευή λεπίδων

Η ενσωμάτωση της υφής της επιφάνειας σε σχέδιο λεπίδας περιλαμβάνει πολλαπλές ανταλλαγές.

Επιλογές υλικού και επικάλυψης

Οι επιφάνειες που έχουν υποστεί επεξεργασία μπορούν να επιτευχθούν μέσω: α) της μορφοποιημένης υφής κατά τη σύνθετη τοποθέτηση, β) της εφαρμογής αυτοκόλλητων ταινιών ή ταινιών, γ) των τυπωμένων ή ψεκασμένων επιχρισμάτων, ή δ) της μετα-παραγωγής με laser. Κάθε μέθοδος έχει επιπτώσεις στο κόστος, την αντοχή και το βάρος. Για τις υπεράκτιες στροβίλους, οι επικαλύψεις πρέπει να αντιστέκονται στη διάβρωση του αλατόνερου και στην αποδόμηση των υπεριωδών ακτίνων.

Επίδραση της διάβρωσης μολύβδου-αετού

Με την πάροδο του χρόνου, η βροχή, το χαλάζι και η άμμος διαβρώνουν την προεξοχή, συχνά βλάπτοντας σκόπιμα εφαρμοσμένες υφές. Αυτό υποβαθμίζει την αεροδυναμική απόδοση ⁇ μελέτες δείχνουν ότι οι διαβρωμένες λεπίδες μπορεί να χάσουν το 20% της ετήσιας παραγωγής ενέργειας.

Μείωση θορύβου

Η υφή της επιφάνειας επηρεάζει επίσης τον αεροδυναμικό θόρυβο. Οι ραβδώσεις και οι οδοντωτές ακμές μειώνουν τον θόρυβο που προκαλείται από τις αναταράξεις, ο οποίος είναι κρίσιμος για τους υπεράκτιους στροβίλους κοντά σε κατοικημένες περιοχές.

Μελέτες Περιπτώσεων και Δεδομένα Πεδίου

Αρκετές εγκαταστάσεις του πραγματικού κόσμου έχουν επικυρώσει τα οφέλη των λεπίδων με υφή.

Παράδειγμα 1: LM Wind Power και ταινίες με ραβδώσεις

Σε συνεργασία με 3M, η LM Wind Power εφάρμοσε ρόβλετ φιλμ σε λεπίδες ενός 2 MW στροβίλου στη Δανία. Πάνω από 12 μήνες, ο στροβιλός έδειξε αύξηση 4,7% στην ετήσια παραγωγή ενέργειας σε σύγκριση με μια βασική στροβίλο με στάνταρ λείες λεπίδες. Η ταινία εφαρμόστηκε στο εξωτερικό 60% του μήκους της λεπίδας, όπου οι ταχύτητες επιφάνειας είναι υψηλότερες.

Παράδειγμα 2: Μελέτη λακκοειδών του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ

Οι ερευνητές εφάρμοσαν σχέδια λακκοειδών σε μια μικρή λεπίδα ανεμογεννήτριας 500 W και την δοκιμάστηκαν σε μια ελεγχόμενη σήραγγα ανέμου. Με ταχύτητα 10 m/s ανέμου, η λακκοειδής λεπίδα παρήγαγε 12% περισσότερη ισχύ από την ομαλή έκδοση. Ωστόσο, το όφελος μειώθηκε σε πολύ χαμηλές ταχύτητες ανέμου, γεγονός που υποδηλώνει ότι η υφή της επιφάνειας πρέπει να προσαρμοστεί στο ρόδο του ανέμου της περιοχής.

Υπολογιστικές προσεγγίσεις για τη βελτιστοποίηση της υφής επιφάνειας

Ο σύγχρονος σχεδιασμός στροβίλων χρησιμοποιεί CFD σε συνδυασμό με αλγόριθμους βελτιστοποίησης για να βρει ιδανικές παραμέτρους υφής ⁇ βάθος, πλάτος, απόσταση, διάταξη. Για τα πλευρά, το ύψος αυλακώματος και το διάστημα είναι συνήθως στην περιοχή των 20 ⁇ 200 μm, ανάλογα με τον αριθμό Reynolds. Η διάμετρος και το βάθος του λακκιού είναι συνήθως στη σειρά του 1 ⁇ 5% της συγχορδίας.

Μια μελέτη 2022 σε Ανανεώσιμη ενέργεια[[LFT:1]] χρησιμοποίησε γενετικούς αλγόριθμους για τη βελτιστοποίηση ενός μοτίβου μικρο-rib για έναν στροβιλοαναφοράς 5 MW. Η βελτιστοποιημένη υφή βελτίωσε την L/D κατά 2,3% με την ονομαστική ταχύτητα του ανέμου και μειωμένη ευαισθησία στην επιφανειακή αποβολή.

Μελλοντικές Οδηγίες και Συνεχής Έρευνα

Η υφή της επιφάνειας είναι μια ενεργή περιοχή της έρευνας.

Βιο-εμπνευσμένα Υφάσματα

Πέρα από το καρχαριακό δέρμα, οι ερευνητές διερευνούν τις επιφάνειες φύλλων λωτού (για αυτοκαθαρισμό και μείωση της αντίστασης) και τα μοτίβα κλίμακας πεταλούδας (για έλεγχο του διαχωρισμού ροής).

Ενεργά υφή επιφάνειας

Τα κράματα σχήματος-μνήμης ή οι πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές θα μπορούσαν να επιτρέψουν στις λεπίδες να αλλάξουν την υφή της επιφάνειας τους σε απάντηση στις συνθήκες του ανέμου ⁇ ηρεμούν για τον χαμηλό άνεμο, λακκώνονται για τον υψηλό άνεμο.

Ολοκλήρωση της Μηχανικής Μάθησης

Τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να αναλύσει τεραμπάιτ των επιχειρησιακών δεδομένων για να συστήσει σε πραγματικό χρόνο προσαρμογές των παραμέτρων επιφάνειας (μέσω ενσωματωμένων ενεργοποιητών) ή για να βελτιστοποιήσει τα καλούπια λεπίδας επόμενης γενιάς.

Συμπέρασμα

Η υφή της επιφάνειας των πτερυγίων ανεμογεννητριών δεν είναι μια μικρή λεπτομέρεια αλλά ένας ισχυρός μοχλός για τη βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης. Με προσεκτική επιλογή και μηχανική υφές όπως τα ραβδιά ή τα λακκάκια, οι σχεδιαστές μπορούν να αυξήσουν την ανύψωση, να μειώσουν την έλξη και να ενισχύσουν την ενεργειακή δέσμευση κατά αρκετά ποσοστιαία σημεία ⁇ ένα μη τριμερές κέρδος όταν κλιμακώνεται σε ένα αιολικό αγρόκτημα. Καθώς οι τεχνικές κατασκευής προχωρούν και τα υπολογιστικά μοντέλα γίνονται πιο ακριβή, η βελτιστοποίηση της υφής της επιφάνειας θα γίνει ένα πρότυπο μέρος του σχεδιασμού της λεπίδας, συμβάλλοντας στο χαμηλότερο κόστος της αιολικής ενέργειας και ένα πιο βιώσιμο μέλλον.

Για περαιτέρω ανάγνωση, βλέπε τις NREL σελίδες έρευνας για την αιολική ενέργεια, 3M βιομηχανικές επικαλύψεις για την αιολική ] και Ανανεώσιμο περιοδικό ενέργειας] για μελέτες που αξιολογήθηκαν από ομότιμους κριτές για την αεροδυναμική λεπίδα.