توربینهای جریان دریایی بهینه سازی

توربینهای جریان دریایی بهینه سازی –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه  مکانیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی [۱]

در بهینه سازی توربین‌ها‌ی جریان دریایی [۲]

[۱] Computational Fluid Dynamics (CFD)

[۲] marine current turbines

چکیده

استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در امر تحقیق و توسعه صنعتی به امری نرمال و معمولی تبدیل شده است. پیشرفت‌ها‌ی فنی دقت کدها را، هر چند به قیمت پرداخت هزینه‌های مرتبط با  قدرت محاسباتی، بهبود داده است. دینامیک سیالات محاسباتی اگر بطور صحیح مورد استفاده قرار گیرد ابزاری قدرتمند بوده و برای تحقق آن آگاهی از هنگام و نحوه استفاده از سطوح مختلف کدها حائز اهمیت است. این مقاله به تشریح مزایای نسبی کدهای مختلف (از کدهای پانل سه بعدی ساده[۱] گرفته تا معادلات ناویر استوکس رینولدز متوسط[۲]) با توجه به بهینه سازی توربین‌های جریان دریایی می‌پردازد. اهداف مقاله بحث و بررسی در مورد مدل‌ها‌ی اغتشاش[۳]، برهم کنش‌ها‌ی ساختار سیال[۴] و نهایتا طراحی، تحقیق و بهینه سازی می‌باشد.

کلمات کلیدی : دینامیک سیالات محاسباتی، انرژی تجدید پذیر[۵] و توربین جریان دریایی

توربینهای جریان دریایی بهینه سازی

 نمادها :

عدد کاویتاسیون[۶]                         

فشار استاتیکی مبنا                  

فشار بخار                       

چگالی آب                        

سرعت جریان آزاد                           

فشار اتمسفری                                       

شتاب جاذبه                      

هد آب                                   

ضریب فشار   

توربینهای جریان دریایی بهینه سازی

۱- مقدمه

اقیانوس‌ها‌ یکی از منابع دست نخورده بشمار آمده و قابلیت تامین سهم عمده ای از نیازهای انرژی آینده ما را دارند. جستجو برای یک منبع انرژی تجدید پذیر و پاک محرکی برای یافتن شیوه اقتصادی مهار انرژی اقیانوس است. انواع مختلفی از انرژی‌ها‌ی اقیانوسی وجود دارند که بعنوان منابع بالقوه برای تولید قدرت مورد بررسی قرار گرفته اند. این منابع شامل انرژی حرارتی، انرژی موج، انرژی باد دور از ساحل[۷]، انرژی جزر و مد[۸] و انرژی جریان اقیانوسی[۹] هستند. اما این منابع تنها در صورتی کاربردی می‌شوند که با توسعه موفق تکنولوژی توانایی استفاده مطمئن و مقرون به صرفه از آنها فراهم شود. انرژی جزر و مد مزیت آسیب ناپذیری نسبت به تغییر شرایط جوی[۱۰] را دارد (درحالیکه) انرژی باد، موج و نیروی محرکه آب[۱۱] به تغییرات در رژیم آب و هوا حساس هستند. یک مزیت منبع جریان جزر و مد این است که هم از نظر زمانی و هم از لحاظ مکانی قابل پیشبینی و سنجش می‌باشد. ابزارهای طراحی شده برای استخراج انرژی جزر و مد[۱۲] در اشکال و انواع و اندازه‌ها‌ی متنوعی وجود دارند گرچه (اصولا) همگی آنها انرژی پتانسیل و جنبشی جزر و مد را مهار نموده و آن را به جریان الکتریسیته تبدیل می‌کنند. این نوع دومین گروهی است که علاقه و توجه مجددی را در چند سال اخیر به خود معطوف نموده و برای آن پیشرفت و ترقی انتظار می‌رود. شکل (۱) یک توربین جریان دریایی جریان آزاد متداول با محور افقی[۱۳] را نشان می‌دهد.

[۱] simple three dimensional panel codes

[۲] Reynolds Averaged Navier stokes equations

[۳] turbulence models

[۴] fluid structure interactions

[۵] Renewable energy

[۶] Cavitation number

[۷] offshore wind energy

[۸] tidal energy

[۹] ocean current energy

[۱۰] invulnerability to climate change

[۱۱] hydro

[۱۲] tidal energy extraction

[۱۳] typical horizontal axis free stream marine

current turbine.

طراحی توربین جزر و مدی محور افقی[۱] با مشکلاتی روبرو است که هنگام عملکرد چنین سیستمی‌در هوا رخ نمی‌دهد، این مشکلات بواسطه تفاوت در شکل و نمای سطوح پره‌ها‌ با نوع توربین بادی محور افقی[۲] می‌باشد. بواسطه تفاوت در چگالی سیالات (برای نمونه) نیروی رانش روی یک توربین جزر و مدی محور افقی سه مرتبه بزرگتر از رانش تجربه شده توسط یک توربین بادی محور افقی برای یک قدرت اسمی‌یکسان داده شده می‌باشد، با وجود اینکه ابزارهای جزر و مدی مساحت جاروب شده  به مراتب کوچکتری را دارند.

[۱] Horizontal Axis Tidal Turbine (HATT)

[۲] Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)

هدف این مقاله بحث و بررسی در مورد مزایا و معایب  تعدادی از متداولترین تکنیک‌ها‌ی دینامیک سیالات محاسباتی و مدل‌ها‌ی اغتشاش است. سپس به بررسی بیشتر دینامیک سیالات محاسباتی همراه با دیگر تکنیک‌ها‌ی تجزیه و تحلیل همچون بر هم کنش‌ها‌ی ساختار سیال می‌پردازد. در پایان بحثی در مورد ارتباط طراحی، تحقیق و بهینه سازی با در نظر گرفتن مدلسازی سیال پیچیده تضمین شده است.

توربینهای جریان دریایی بهینه سازی

۲ – روش‌ها‌ی پانلی[۱] :

مبنای اصلی هر مساله ای در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی معادلات ناویر استوکس هستند که هر جریان تک فازی سیال را تعریف می‌کنند. این معادلات را می‌توان با حذف ترم‌ها‌ی مربوط به ویسکوزیته ساده نمود تا معادلات اویلر حاصل شوند. ساده سازی بیشتر با حذف ترم‌ها‌ی مربوط به ورتیسیته حاصل شده و منجر به معادلات پتانسیل کامل می‌شود. سرانجام این معادلات را می‌توان خطی نموده تا به معادلات پتانسیل خطی منجر شوند.

۲- الف – آنالیز دو بعدی :

از نظر تاریخی، در ابتدا معادلات برای حل معادلات پتانسیل خطی شده توسعه یافتند. روش‌ها‌ی دو بعدی با استفاده از تبدیل‌ها‌ی همدیس جریان پیرامون یک استوانه به جریان پیرامون یک ایرفویل در دهه ۱۹۳۰ میلادی توسعه یافتند. قدرت کامپیوترهای موجود سبب سرعت گرفتن توسعه روش‌ها‌ی سه بعدی گردید.

[۱] PANEL METHODS

۲- ب – آنالیز سه بعدی :

 پانل کدهای سطحی اجازه دست یابی به آنالیز کاملتری از عملکرد توربین را فراهم می‌کنند. چنین کدهایی ویژگی‌ها‌ و خصوصیات هر پانل بر روی سطح بدنه تحت آنالیز را برای تولید توزیع فشار و اطلاعات لیفت و دراگ پانل و نهایتا برای کل بدنه محاسبه می‌کنند. از این کدها می‌توان برای پیشبینی جزئی تر شروع کاویتاسیون روی پره‌ها‌ی توربین و نیز به عنوان منبعی برای اطلاعات جزئی بارگذاری پره برای محاسبات ساختاری بیشتر استفاده نمود. از آنجا که پانل‌ها‌ اشکال هندسی مسطح هستند، یک پانل با چگالی بیشتر یک شکل منحنی پیچیده و سه بعدی همچون توربین جریان دریایی را با کارایی بیشتری مدل می‌نماید.

۲- پ – معادلات ناویر استوکس رینولدز متوسط[۱] :

معادلات ناویر استوکس رینولدز متوسط، معادلات متوسط زمانی جابجایی برای جریان سیال هستند. اصولا این معادلات هنگام  بحث در مورد جریان‌ها‌ی آشفته مورد استفاده قرار می‌گیرند. این معادلات می‌توانند با تقریب‌ها‌یی مبتنی بر آگاهی از خواص اغتشاش جریان جهت ارائه راه حل‌ها‌ی متوسط تقریبی برای معادلات ناویر استوکس مورد استفاده قرار گیرند.

[۱] The Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations

۲- ت – مدل‌ها‌ی اغتشاش :

اغلب جریان‌ها‌ی مورد علاقه در مهندسی آشفته هستند و معمولا آشفتگی و اغتشاش افزوده شده به جریان تاثیر قابل توجهی در رفتار جریان دارد. طبیعت آشفته جریان نقش بسیار مهمی‌را در تعیین تعداد زیادی از پارامترهای مهندسی مربوطه  همچون دراگ اصطکاکی،  جدایی جریان، گذار از جریان آرام به آشفته، ضخامت لایه‌ها‌ی مرزی، اهمیت جریان‌ها‌ی ثانویه و گسترش و انتشار جت‌ها‌ و ویک‌ها‌[۱] بازی می‌کند.

[۱] spreading of jets and wakes

۲- ث- برهم کنش‌ها‌ی ساختار سیال[۱] :

بر هم کنش‌ها‌ی ساختار سیال (که عبارتست از بر هم کنش‌ها‌ی تعدادی از ساختارهای جابجا شونده یا تغییر شکل دهنده با یک جریان سیال داخلی یا پیرامونی) با در نظر گرفتن مدلسازی و جنبه‌ها‌ی محاسباتی در زمره مهترین و پر چالش ترین مسائل دارای فیزیک چندگانه هستند.

بر هم کنش‌ها‌ی ساختار سیال هنگامی‌اتفاق می‌افتد که یک سیال با ساختار جامد بر هم کنش کرده و فشاری اعمال می‌کند که ممکن است سبب تغییر شکل ساختار و بنابراین تغییر جریان خود سیال گردد. اگر مساله ای شامل خمیدگی ساختاری[۲]، یا احتمالا مواد انعطاف پذیر باید مورد آنالیز قرار گیرد ترکیب برنامه‌ها‌ی دینامیک سیالات و آنالیز ساختاری جهت رسیدن به راه حل‌ها‌ی تکراری برای مسائل پیچیده بسیار سودمند است.

[۱] Fluid-structure interactions (FSI)

[۲] structure flexure

توربینهای جریان دریایی بهینه سازی

۳- طراحی، تحقیق و بهینه سازی :

طراحی تحقیق، و بهینه سازی عبارت استفاده شده جهت توضیح بکارگیری روش‌ها‌ی بهینه سازی رسمی‌در طراحی می‌باشد. در واقع بهینه سازی به معنی یافتن راه حلی برای یک مساله است که بهترین نتایج را با توجه یک ملاک تصمیم گیری مشخص و قیدهای معینی ارائه می‌دهد. در حالت کلی فرآیند بهینه سازی جستجو برای یافتن ماکسیمم (یا مینیمم) مطلق یک تابع نسبت به معادلات قید معینی می‌باشد. شکل (۶) مساله کلاسیک بهینه سازی، جاییکه بهینه سازی کلی نیازمند تفاوت قائل شدن با بهینه موضعی می‌باشد را نشان می‌دهد.

توربینهای جریان دریایی بهینه سازی

۴ – نتیجه گیری

در حال حاضر با افزایش اهمیت و نیاز به منابع انرژی تجدید پذیر، منابع دریایی قابل پیشبینی همچون جریان‌ها‌ی دریایی یا جزر و مد در کانون توجه قرار گرفته اند. طراحی و بهینه سازی ابزارهای استخراج انرژی جزر و مد دارای بیشترین اهمیت است زیرا آنها نیروهای عظیمی‌را در محیط زیر دریا تجربه می‌نمایند.

دینامیک سیالات محاسباتی ابزاری قدرتمند است که (چنانچه به درستی از آن استفاده شود) می‌تواند اطلاعات ارزشمندی از عملکرد چنین وسایلی را فراهم نماید. ناچیز نشمردن استفاده از تکنیک‌ها‌ی ساده تر دینامیک سیالات محاسباتی (همچون پانل کدها) در مرحله طراحی مقدماتی (که از طریق آنها می‌توان بینشی نسبت به ویژگی‌ها‌ی کاویتاسیون و انتقال انرژی بدست آورده و نیز توجیه کننده نیاز به کار بیشتر می‌باشند) اهمیت دارد. در یک مرحله طراحی پیشرفته تر حل کننده‌ها‌ی ناویر استوکس رینولدز متوسط برای مدل نمودن موقعیت‌ها‌ی پیچیده جریان که در پیرامون توربین رخ می‌دهند مورد نیاز هستند.

سرانجام آنالیز ترکیبی ساختاری و سیالی برای درک بهتر نحوه تاثیر جریان بر روی روتور و ساختار نگهدارنده آن مورد نیاز است.

طراحی، تحقیق و بهینه سازی نقشی کلیدی در استفاده از فرآیندهای گران قیمت محاسباتی همچون دینامیک سیالات محاسباتی، روش المان محدود و بویژه برهم کنش‌ها‌ی ساختار سیال بازی می‌کند. استفاده صحیح از الگوریتم‌ها‌ی بهینه سازی می‌تواند بطور قابل توجهی تعداد تکرارهای مورد نیاز را کاهش داده و جواب‌ها‌ی بهینه‌ای را بدون صرف زمان‌ها‌ی چشمگیر محاسباتی و بشری تولید نماید.

این در حالی است که تمامی‌روش‌ها‌ی بحث شده در این مقاله نیازمند تایید اعتبار از طریق استفاده از تست‌ها‌ی تونل باد، اطلاعات تانک یدکی یا آزمایش‌ها‌ی باز اقیانوسی[۱] می‌باشند. سرانجام استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، برهم کنش‌ها‌ی ساختار سیال، طراحی، تحقیق و بهینه سازی سبب کاهش زمان طراحی و برطرف نمودن نیاز به آزمایش‌ها‌ی پر هزینه ابزارهای مقیاس مدل می‌گردند.

[۱] towing tank data or open ocean experiments