تاثیر Surface Texture بر روی آسانسور و کشیدن در بخار باد Blades

توربین های بادی تبدیل به یک اصلی از تولید انرژی تجدید پذیر شده اند، اما بهره وری کلی آنها همچنان یک منطقه کلیدی برای بهبود است، در حالی که شکل تیغه و زاویه به طور گسترده مورد مطالعه قرار می گیرد، نفوذ بافت سطح در عملکرد آئرودینامیک اغلب دست کم گرفته است.این مقاله گسترش می یابد که چگونه بافت سطح به طور مستقیم بر آسانسور و کشیدن تأثیر می گذارد - دو نیروی حاکم که تعیین می کنند که چگونه به طور موثر یک تیغه تبدیل به انرژی چرخش تبدیل می شود.

اصول Aerodynamic: Lift و Drag

Lift نیروی آئرودینامیکی است که به جهت باد ورودی، که با تفاوت فشار بین سطوح تیغه بالا و پایین ایجاد شده است، حرکت موازی با جریان عمل می کند، مقاومت در برابر حرکت تیغه ها، چرخ های توربین بادی، چرخش درایو، در حالی که کشیدن انرژی و کاهش خروجی.

Blade aerodynamics بسیار حساس به رفتار لایه مرزی - منطقه نازک هوا در مجاورت سطح است.یک لایه مرز صاف و صاف، لامینار باعث کاهش اصطکاک پوست می شود، اما مستعد جدایی در نزدیکی لبه پیگیری است، که منجر به افت ناگهانی در آسانسور می شود.یک لایه آشفته، هر چند که در اصطکاک پوست بالاتر است، می تواند طولانی تر متصل بماند، تاخیر و در زاویه های بالاتر حمله قرار دارد.

چگونه Surface Texture بر لایه Boundary تأثیر می گذارد

بافت سطح تغییر می کند توسعه لایه مرزی. Riblets، کمپل ها، شیارها و دیگر میکرو یا ماکرو متن می تواند جریان را از laminar به آشفتگی در یک مکان کنترل شده با انجام این کار، آنها می توانند از جدایی زودرس و افزایش، به ویژه تحت شرایط باد متغیر جلوگیری کنند.

Laminar در مقابل مدیریت جریان Turbulent

در شرایط ایده آل، یک تیغه کاملا صاف به حداقل می رساند، با این حال، عملیات دنیای واقعی شامل گرد و غبار، باران و تجمع حشرات است که باعث اختلال در صافی می شود. بافت های سطحی بی توجهی می توانند مهندسی شوند تا بدون ایجاد یک شکاف بیش از حد، به عنوان مثال، ستون های الهام گرفته کوسه (با جریان) کاهش اصطکاک پوست آشفته با سرعت 10٪ برای کاهش سرعت پایین تر شدن آن، در کاهش سرعت پایین تر شدن آن، در کاهش می یابد.

تکنولوژی Riblet Technology

شیارها شیارهای طولی هستند، اغلب V-form یا scalloped، که در امتداد محدوده تیغه اجرا می شوند، آنها به طور گسترده ای برای کاربردهای حمل و نقل هوایی و دریایی مورد بررسی قرار گرفته اند، برای توربین های بادی، فیلم های rible را می توان به طور قابل توجهی به سرعت به سرعت 6٪ از مطالعات موجود در Journal of تجدید پذیر و انرژی پایدار [F1] که نشان داده اند که تولید باد را کاهش نمی دهد، بسته به سرعت کاهش می تواند به سرعت کاهش دهد.

Dimples

الگوهای دیمپل یک سطح ایجاد می کنند که بر انتقال لایه مرزی تأثیر می گذارد (افسردگی) افسردگی ها کوچک را تولید می کنند که لایه مرزی را تقویت می کند، و آن را طولانی تر متصل می کند.این تاخیر تاخیر باعث افزایش حداکثر ضریب آسانسور در بخش های تیغه با نور دایره ای (در عمق 0.5٪ از آکورد) افزایش تا 8٪ و کاهش در حدود 12٪ از حمله متوسط (F2 گزارش شده است:

تاثیر بر روی آسانسور و کشیدن عملکرد

اثر خالص بافت سطح بستگی به نقطه عملیاتی دارد.در زوایای پایین حمله (که به طور مستقیم با تیغه روبرو می شود)، یک سطح صاف ممکن است بهترین توربین های L / D را به عنوان اصطکاک غالب می کند، زیرا زاویه افزایش می یابد، یک سطح بافت که جریان متصل را حفظ می کند می تواند به مراتب یک صاف را که جدا می کند، به این معنی است که بافت سطح می تواند بهینه سازی شده برای بسیاری از شرایط باد، نه فقط سرعت های مکرر.

تغییرات اندازه گیری در آسانسور و کشیدن

اندازه گیری تونل باد و دینامیک مایع محاسباتی (CFD) داده های دقیق ارائه داده است.به عنوان مثال، مطالعه 2019 در یک D 96-W-180 هوافتری (معمولا در توربین های بزرگ استفاده می شود) مقایسه توربین های صاف، قابل اعتماد و کم عمق به سمت کاهش نرخ شیب، سطح L 0.001، حداکثر ضریب آسانسور را از 1.45 به 1.62 افزایش داد و همچنین زاویه ای را که با کاهش سطح شیب تقریباً مفید، کاهش می یابد، به سرعت 5٪ کاهش می یابد.

بررسی های عملی برای ساخت Blade

ترکیب بافت سطح به طراحی تیغه شامل چندین معامله است.

گزینه های Material and Cover Options

سطوح بافت شده می تواند از طریق: (الف) بافت قالب شده در طول آرایش کامپوزیت، (ب) استفاده از فیلم های چسب یا نوار، (c) پوشش های چاپ شده یا اسپری شده، یا (د) لیزر تشدید پس از تولید، هر روش دارای هزینه، دوام و اثرات وزن برای توربین های دریایی، پوشش باید مقاومت در برابر آب نمک و خوردگی و تخریب پایدار، آزمایش های میدانی ثابت شده است.

تاثیر سرب-Edge Soil

در طول زمان، باران، تگرگ و شن لبه پیشرو را از بین می برد، اغلب به طور عمدی بافت های کاربردی را تخریب می کند.این عملکرد آئرودینامیک را کاهش می دهد - مطالعات نشان می دهد که تیغه های فرسایشی می تواند 20 درصد از تولید انرژی سالانه را از دست بدهد، بنابراین بافت سطح باید با فرسایش قوی، مانند پوشش های پلی اورتان یا لایه های ساکری جفت شود.

کاهش نویز

بافت سطح همچنین بر سر و صدای آئرودینامیک تأثیر می گذارد. Riblets و ردیابی لبه های سر و صدا باعث کاهش نویز تولید شده شده شده است که برای توربین های ساحلی در نزدیکی مناطق جمعیت حیاتی است. A مطالعه توسط آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر ملی (NREL) نشان داد که بافت های سطح بهینه شده می توانند سطح صدا را تا 2 -4 dBA بدون قربانی عملکرد کاهش دهند.

مطالعات موردی و داده های فیلد

چندین تاسیسات واقعی جهان مزایای تیغه های بافت شده را تأیید کرده اند.

مثال 1: LM Wind Power و Riblet Films

در همکاری با 3M، LM Wind Power فیلم را به تیغه های توربین 2 مگاوات در دانمارک اعمال کرد، در عرض 12 ماه، توربین افزایش 4.7% در تولید انرژی سالانه در مقایسه با توربین پایه با تیغه های صاف استاندارد را نشان داد. این فیلم به 60٪ خارجی از طول تیغه اعمال شد، جایی که velocities سطح بالاترین است.

مثال دوم: دانشگاه منچستر Dimple Study

محققان الگوهای کمپل را به یک تیغه توربین بادی 500 W کوچک اعمال کردند و آن را در یک تونل باد کنترل شده آزمایش کردند، که نشان می دهد که بافت سطح باید به گل رز محل طراحی شده باشد.

روش های محاسباتی برای Optimize Surface Texture

طراحی توربین مدرن از CFD همراه با الگوریتم های بهینه سازی برای پیدا کردن پارامترهای بافت ایده آل - عمق، عرض، فاصله، ترتیب. برای riblets، ارتفاع شیار و فاصله به طور معمول در محدوده 20 تا 200 μm، بسته به شماره Reynolds، قطر و عمق معمولا به ترتیب 1 تا 5٪ از بهینه سازی چند منظوره می تواند تعادل، و افزایش هزینه و تولید را افزایش دهد.

مطالعه ای در سال 2022 در انرژی تجدید پذیر از الگوریتم های ژنتیکی برای بهینه سازی یک الگوی میکرو دنده برای توربین مرجع 5 مگاوات استفاده کرد. بافت بهینه شده L / D را با 2.3% در سرعت باد امتیاز و کاهش حساسیت به تخریب سطح، این ابزار محاسباتی در چرخه های طراحی استاندارد شده است.

مسیر های آینده و تحقیقات مداوم

بافت سطح یک منطقه فعال از روند تحقیق است.

بافت های الهام گرفته از Bio-S

فراتر از کوسه هایکین، محققان در حال بررسی سطوح برگ های لوتوس (برای تمیز کردن خود و کاهش کشیدن) و الگوهای مقیاس پروانه (برای کنترل جدایی جریان) هستند.این بافت ها می توانند با استفاده از پوشش های بیوموتی تکرار شوند.

ویژگی های Surface Active

آلیاژهای شکل یا محرک های پازوالکتریک می توانند به تیغه ها اجازه دهند تا بافت سطح خود را در پاسخ به شرایط باد تغییر دهند – برای باد پایین، اما در حال حاضر نمونه های اولیه تجربی، پتانسیل بالقوه را نشان می دهند.

آموزش ماشین آلات

هوش مصنوعی می تواند ترابایت داده های عملیاتی را تجزیه و تحلیل کند تا تنظیمات زمان واقعی را به پارامترهای سطح (از طریق محرک های جاسازی شده) یا برای بهینه سازی قالب های تیغه نسل بعدی توصیه کند.

نتیجه گیری

بافت سطح تیغه های توربین بادی جزئیات جزئی نیست، بلکه یک اهرم قدرتمند برای بهبود کارایی آئرودینامیک است.با انتخاب دقیق و بافت های مهندسی مانند riblets یا کمپل ها، طراحان می توانند آسانسور، کاهش و افزایش جذب انرژی توسط چندین درصد افزایش دهند - یک سود غیرمتریک در مقیاس در سراسر مزرعه باد به عنوان تکنیک ها و مدل های محاسباتی دقیق تر، بهینه سازی انرژی پایدار برای کمک به یک تیغه های پایین تر و کاهش می یابد.

برای مطالعه بیشتر، صفحات تحقیق انرژی بادی (FLT:0) را ببینید ، M پوشش صنعتی برای باد و مجله انرژی تجدید پذیر برای مطالعات بررسی شده در یک تیغهودینامیک.