הפיזיקה של מעבר שכבת Boundary Layer

שכבת הגבול היא אזור דק סמוך לפני השטח של להב טורבינות רוח שבו כוחות מולקווס שולטים בזרימה. בתוך שכבה זו, המהירות של מעברי האוויר מאפס על פני פני השטח הלהב (בשל מצב ללא-Slip) למהירות הזרם החופשי שנמדדה מהלהב.ההתנהגות של שכבת הגבול הזו היא מרכזית לכוחות האירודינמיים שמניעים ביצועים.

שכבות גולגולתיות קיימות בשתי מדינות עיקריות: laminar ו- turbulent.בשכבת גבול laminar, חלקיקים נוזליים נעים בשכבות חלקות, מקבילות עם שילוב מינימלי של עור זה מייצר חיכוך נמוך גורר אבל נוטה להיפרד תחת לחץ שלילי ⁇ s - מצב שבו הלחץ עולה לאורך כיוון זרימת הדם מוביל לאובדן פתאומי של מעלים ולהגדיל את הלחץ, תופעה ידועה בשם "ll" על קטע להב.

שכבות גבול טורבוליות מאופיינות על ידי כאוטית, תנועה לא סדירה עם תערובת חוצה-זרם משמעותי. בעוד הם מייצרים חיכוך עור גבוה יותר גרר עקב החלפת תנופה גדולה יותר, הם עמידים הרבה יותר להפרדה. שכבות טורבולנט יכול להישאר מחוברים משטח הלהב תחת לחץ חזק ⁇ s כי יגרום לשכבת לבנר להפריד.

הנקודה לאורך הלהב סטנדרד שבו שכבת הגבול משתנה מלנדר להרגיז נקראת נקודת מעבר.מיקום שלה תלוי במספר גורמים: מספר ריינולדס (מבוסס על אורך אקורד ומהירות זרימה), לחץ ⁇ , רמות טורחות חינם של זרם חופשי, ואת הביקורת ביותר עבור דיון זה, גסות פני השטח.

המונחים: Wind Turbine Conditions

המעבר אינו מתרחש באופן ספונטני.הוא מתפתח על ידי הפרעות שגדלות בתוך שכבת הלמאר עד שהם מתפרקים להפרעות.כמה מנגנונים יכולים להניע את התהליך הזה:

  • (FLT:0) מעבר טבעי (Natural PassageFLT:1) מתרחש באמצעות הגדלה של גלי טולממיין-שכט (T-S), חוסר יכולת הנובעים מהפרעות קטנות בזרם החופשי.
  • (FLT:0) מעברי המעבר של פאסיביים 1 (FLT:1) קורה כאשר הפרעות חזקות - כגון זעזועים חופשיים גבוה או מגוחות פני השטח גדול - מעלים את שכבת החותרה לפני גלי T-S יכול להתפתח.זהו מצב דומיננטי על טורבינות רוח, אשר חשופים לזעזוע אטמוספירי, ולעתים קרובות יש להם משטחים גסים או מזוהמים.
  • (FLT:0) מעבר מושרה-הפרדה:1 מתרחש כאשר שכבת גבול laminar מפרידה, יצירת שכבת זאר חופשי אשר הופכת במהירות לא יציבה ומעברים להפרעות.הזרם הסוער עלול אז retach, יצירת בועה הפרדה laminar (BLSB) יכול לשנות באופן דרמטי את ההתפלגות הלחץ והם רגישים מאוד למשטח.

הבנת המנגנונים האלה מסייעת למהנדסים לחזות כמה גסות ישפיעו על המעבר בתנאי הפעלה בעולם האמיתי.

שטף: מקורות ואפיון

גסות על להבים טורבינות רוח היא בלתי נמנעת ומתעוררת ממקורות מרובים:

  • (FLT:0)מנפיק פגמים: FIRLT:1 Blades בדרך כלל בנוי סיבים זכוכית או פחמן-fiber ממתחילים באמצעות עיכוב ידני או תהליכי היתוך ריק.גם עם תבניות באיכות גבוהה, משטח המחוספס שומר על מרקם מסוים.
  • (FLT:0) אדג' Erosion: FIRLT:1 לאורך שנים של פעולה, להבים מופצים על ידי טיפות גשם, ברד, חול, ועוד חלקיקים אוויריים.הקצה המוביל הוא פגיע במיוחד, מאבד את פני השטח החלקיים שלו לשחיקה - יוצר בורות, גאדג'טים, ו"מכחול" גס, זהו אחד התורמים המשמעותיים ביותר לביצועים בטורפות ישנות יותר.
  • (FLT:0)Contamination: FLT:1 אבק, תרסיס מלח, התקפי חרקים, צניחה ציפורים, וצבירת קרח להוסיף גסות לא אחידות.
  • (FLT:0)Repairs וציפוי: תיקון שדה 1 (שדה-אידי) לעתים קרובות לייצר הפסקות פני השטח.

המונחים: נוקשות

מהנדסים לאפיין גסות באמצעות פרמטרים סטנדרטיים נמדדים על ידי profilometers או סורקי לייזר.ה הנפוצים ביותר הם:

  • (FLT:0)Ra (ממוצע ארתמטי) FIRLT:1; הסטייה המוחלטת הממוצעת של פרופיל פני השטח מן השורה.
  • (ב) ⁇ :0)Rz (גובה ממוצע) ,(Averagemax) ,(אנ'): הממוצע של חמשת הפסגות הגבוהות ביותר וחמישה עמקים נמוכים ביותר לאורך אורך הדגימה. Rz משמש לעתים קרובות למעבר מודלים כי תכונות מבודדות גדולות יכולות לפעול כחוטי טיול.
  • (ב) [ה]ה'] [ה'] [ה']'[דרוש מקור]' [ב[[המאה ה-20]: פרמטר לא-ממדי קריטי לחיזוי כאשר החוספס יגרור מעבר.

המיקום וההפצה של חומר גסות בגודלו.הפסות המקדימות משפיעה על אזור הקיפאון ועל התפתחות שכבת הגבולות המוקדמת, בעוד שלחוסנות נוספת יש פחות השפעה על מעבר, אך עדיין משפיע על חיכוך העור.

כיצד הנוקשות משפיעה על מעבר שכבתי

ההשפעה המרכזית של גסות פני השטח היא לפעול כמקור של הפרעות אשר יש להרעון מעבר.אפילו הסתברות קטנה יכול ליצור הפרעות מהירות מקומיות שגדלות במורד הזרם.היחסים בין גובה העומק לבין שכבת הגבול המקומית קובעים את התגובה.

משטרי קשוחים קריטיים וקיצוניים

במודל הפשוט של מעבר המושרה לחוספס, מהנדסים רואים שלושה משטרים המבוססים על היחס של גובה החוספס (k) לעובי העקירת שכבת הגבול ( ⁇ *):

  • (ב) [ה]: [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]], [ההה] [ה]]]], [הההההההההההההההההההההההההההההההההההההההמצועפות] היא [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]]] [ההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[
  • (FLT:0) גסות טרנספורמטיביות (k/ ⁇ *)(1): אלמנטים של גסות מתפשטים דרך הספלה לתוך שכבת החילוף.הם מייצרים מערבול שיער ומבנים אחרים קוהרנטים שמגבירים הפרעות.משטר זה רגיש מאוד: שינויים קטנים בגובה או מספר ריינולדס יכולים לשנות את נקודת המעבר באופן דרמטי.
  • (FLT:0) משטר גס מלא (k/ ⁇ *> 1) איורFLT:1: אלמנטים של גסות אינדיבידואלית פועלים כמכשולים, יצירת אזורי החלמה ושילוב אינטנסיבי. Transition מתרחשת כמעט מיד במורד הזרם של החוספס.הזרם הופך להיות סוער לחלוטין מאותו נקודה, מה שהופך את המיקום של מעבר חסר רגישות להגדלת גובה החוספס.

עבור טורבינות רוח, להבים פועלים לעתים קרובות במשטר המעבר או גס לחלוטין ליד הקצה המוביל בשל שחיקה וזיהום.זה דוחף מעבר קרוב לקצה המוביל, ביעילות לחסל כל רווח זרימה laminar שעשוי היה להתקיים על להב נקי.

אינטראקציה עם Free-Stream Turbulence

רמות של זעזוע אטמוספירי בסביבה של הרוח הן בדרך כלל 5-15%, אשר גבוה מאוד בהשוואה ליישומים טיסה (לעתים קרובות <1%) זעזועים חינם זרם כבר מקדם מעבר עקף, אפילו על פני השטח חלק. קשיח יכול להגביר את ההשפעה הזו על ידי הגדלת הפתיחות של הגבול לבלוטות ומדיקות.

אירודינמיקה סחר-offs: דרדר, להרים ו Stall

השינוי של נקודת המעבר לעבר הקצה המוביל בשל גסות יש שתי השלכות אווירודינמיות עיקריות: חיכוך עור מוגברת גורר ושיפור התנהגות הפרדה.כדי להעריך את ההשפעה נטו על ביצועי טורבינות, יש לשקול את כל הלהב ואת המעטפה התפעולית שלו.

הגדלת קרינת העור

להב סוער לחלוטין מייצר חיכוך עור גבוה משמעותית מאשר אחד עם זרימה ארוכה של laminar.החיכוך העור המקומי coefficient עבור שכבת גבול סוערת הוא בערך 2-4 פעמים כי של שכבת laminar עבור אותו מספר ריינולדס. על להב טיפוסי 40 מטר, חיכוך העור הכולל יכול להגדיל עד 10-15% כאשר הלהב הופך להיות גס לחלוטין, מתורגם להפחתה שנתית בייצור אנרגיה (A25%) בעוד זה עשוי להיראות גבוה יותר מ קיבולת של 20 שנה.

שיפור התנגדות ההפרדה

היתרון המופרך הוא כי שכבות הגבול הסוערות יכולות לעמוד בזוויות לחץ שליליות חזקות יותר לפני הפרדה. בצד הבעיטה של הלהב, ליד קצה השביל, הלחץ ⁇ הופך להיות שלילי מאוד בזווית גבוהה של התקפה. שכבת גבול laminar נפרדת כאן, precipitating דוכנים והתמוטטות של זרימה טרמפנטית, על ידי ניגוד, נשאר מחובר יותר, עיכובים לדוכנפיים גבוהות יותר של עיגולים של בוהקות גבוהות יותר, במיוחד.

האנרגיה הנקייה ללכוד את הסחר-off

השאלה אם גסות עוזרת או מעכבת ביצועים הכוללים תלויה באסטרטגיה של טורבינות ובתנאי רוח אופייניים.עבור טורבינות מהירה, טורבינות מבוקרות על המגרש (העיצוב המודרני הדומיננטי), הלהבים מותאמים באופן רציף כדי לשמור על זווית אופטימלית של התקפה. במערכות כאלה, ההשפעה השלילית של גרר מוגבר נוטה לשלוט, כי טורבינות יכולה למנוע תנאים ללא להסתמך על המעבר המוקדם של הפחתת יעילות הרוח.

עבור טורבינות דו-חמצני (עיצובים ישנים עם מגרש קבוע), המקרה הוא יותר מנוקד. קשיחות שמקדמת מעבר מוקדם יותר יכול למעשה לשפר את כוח ללכוד במהירויות רוח גבוהות יותר על ידי עיכוב דוכנים ומונעת טיפות חשמל פתאומיות.עם זאת, אפילו בטורבינות אלה, האנרגיה הכוללת ללכוד את פני התפלגות הרוח המלא היא בדרך כלל מופחתת בגלל עלייה במהירויות רוח נמוכות יותר.

השלכות מעשיות עבור עיצוב Turbine ותחזוקה

הבנת ההשפעה של גסות הובילה לשיטות מרובות בעיצוב להב, ייצור ותפעול.

ניהול Edge

אמצעי הנגד הנפוץ ביותר הוא יישום קלטת מגן או ציפויים אל הקצה המוביל. קלטות פוליאורטן, ציפויים אלסטומריים, ומגן עמיד בשחיקה משמשים כדי לשמור על משטח חלק במשך שנים. ציפויים מודרניים יכולים להאריך את תקופת החוספס נמוך עד 5-10 שנים בהשוואה להבים לא מוגנים.

אפשרויות ל- Surface End Specifications

יצרנים מציינים את ערכי הרה המותרים המקסימליים עבור פני הלהב.בדרך כלל, הצד המקרין ליד הקצה המוביל דורש את הסיום החלקי ביותר (Ra < 0.5 מיקרומטר) כדי למקסם את זרימת הלבנדר.הצד הלחץ וחוד החנית יכולים לסבול מחוספס גבוה יותר (Ra < 2-3 מיקרומטר) כי הלחץ יש נוטה לדכא הפרדה בכל מקרה.

החלפת קלוריות וניקוי

כמה טורבינות כוללות כעת חיישנים - כגון כתמים אדזואלקטריים, מד תאוצה, או מצלמות להב - כדי לזהות שינויים במצב פני השטח.אם גסות עולה על סף עקב הצטברות או שחיקה מוקדמת, ניתן להפעיל לוח זמנים ניקוי רובוטי אשר זוחל לאורך להב נמצאים בפיתוח.

המונחים: design Parameter

במקום להילחם בחוספס, חלק מהחוקרים מציעים עיצוב מכוון של להבים עם גסות מבוקרת כדי לייעל את מיקום המעבר עבור נקודות הפעלה ספציפיות.לדוגמה, רצועת גסות קטנה ליד ה-5% ה- ord עשויה לתקן מעבר, חיסול אי הוודאות של מעבר טבעי ולהפוך את הביצועים של הלהב לצפוי יותר.

גישות פרוצדורות וניסוייות

חיזוי ההשפעה המדויקת של גסות על ביצועי להב טורבינות דורש כלים מתוחכמים.

Fluid Dynamics (CFD) עם מודל המעבר

ריינולדס-Averaged Navier-Stokes (RANS) פותרים לבדם לא מצליחים לתפוס את המעבר במדויק אלא אם כן יחד עם מודלים מעבר.מודל המעבר של ⁇ -Re ⁇ (מבוסס על Langtry-Menter) משמש באופן נרחב בעיצוב טורבינות הרוח.זה חשבונות עבור גסות פני השטח על ידי שינוי מספר המומנטום הקריטי ריינולדס שבו המעבר מתחיל.

מבחן מנהרת רוח

להבים במודל בינוני עם גסות מלאכותית (למשל, מפיץ גסות דגנים חול או חוטי טיול דיסקרטי) נבדקים במנהרות רוח.מדת המעלית, גרר, וחלוקת הלחץ נותנים ישירות את עונשי האירודינמיקה.

סיקור: Lidar & Radar

יותר ויותר, טורבינות תפעוליות הן כלי שיט (זיהוי אור ו- הנעים) למדוד את שדה הרוח הזרימה, ועם blade-based-oriented הלחץ נצמד או accelerometers כדי להפר את מצב שכבת הגבול. קמפיינים אלה מספקים נתונים אמיתיים על איך גסות מתפתח לאורך זמן וכיצד היא תואמת עם עקומת כוח.

מסקנה

גסות פני השטח היא היבט בלתי נמנע של פעולת להב הרוח שמשנה באופן יסודי מעבר שכבת הגבול.על ידי שינוי נקודת המעבר במעלה הזרם, גסות מגבירה את חיכוך העור אבל גם משפרת את ההתנגדות לזרימת הפרדה.אפקט נטו על לכידת אנרגיה הוא בדרך כלל שלילי עבור טורבינות מודרניות מבוקרות מעבר, המוביל להפסדים של 2–5% על החיים של להב, ניהול יעיל של דרך הגנה מפנים, לחץ אווירי, וניקוי מתמיד, עלולים יותר ויותר, כמו גם לנפח את ההשפעות של חומרים קשים יותר ויותר, כמו גם מהתחממות כדור הארץ, כמו גם מהתחממות כדור הארץ, ולהפחית את ההשפעות של חומרים קשים יותר ויותר, כמו גם מהתחממות כדור הארץ, כמו גם מהשפעות מהירות יותר ויותר, כמו גם מהשפעות מהירות יותר ויותר, לחץ אוויריות, כמו גם מהשפעות מהירות יותר ויותר, כמו גם מהשפעות מהירות, כמו גם מהתחממות כדור הארץ, כדי להפחתה של אנרגיה סדירות, עלולות, כדי להפחתה של 2–2 עד כדי לחץ אוויריות, כמו גם ירידה מהירה יותר ויותר, ירידה מהירה יותר ויותר, כמו גם ירידה מהירה יותר ויותר, כמו גם ירידה מהירה יותר ויותר, כמו גם ירידה מהירה יותר ויותר, כמו גם ירידה מהירה יותר ויותר, כדי לחץ אוויריות, כמו גם ירידה

עוד קריאה

  • [ה]ה']: [ה]: [ה]: [ה], [ה]: [ה]
  • (ב) 770: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א: "ה' אלקים" (במדבר כ"ד)
  • (ב) ,0) , 000 ההרחבה של ה-FLT (בתרגום חופשי: ⁇ )