Chương 1 là chương giới thiệu, lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu đề tài. Chương 2 tóm tắt các nghiên cứu về hiện tượng mất lực nâng động xảy ra trên cánh NACA và các nghiên cứu về hiện tượng mất lực nâng động xảy ra trên động cơ gió trục đứng. Chương 3 giới thiệu phương pháp mô phỏng số, bài toán ví dụ dòng qua tấm phẳng để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển tiếp từ tầng qua rối. Đánh giá khả năng tính toán giai đoạn chuyển tiếp của các mô hình rối.
Chương 4 sử dụng các mô hình tính khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và các mô hình rối lên kết quả nghiên cứu hiện tượng mất lực nâng tĩnh và mất lực nâng động trên cánh. Thông số để tham chiếu là các hệ số lực khí động. Chương 5 kết quả thu được ở chương 4 làm cơ sở đưa ra mô hình rối và giải thuật để tính toán cho bài động cơ gió trục đứng. Thông qua hệ số công suất để đánh giá độ tin cậy của mô hình rối khi mô phỏng hiện tượng mất lực nâng động VII và cánh vẫy trên cánh.
Từ đó đi sâu vào phân tích đặc tính vật lý và cấu trúc dòng của động cơ gió. Chương 6 tổng kết lại các thành quả đạt được, các hạn chế trong luận văn và hướng phát triển. VIII Lời cam kết Tôi cam kết: - Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện. - Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
- Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi. IX Mục lục Lời cảm ơn. VI Lời cam kết. VIII Mục lục.
IX Chú giải ký hiệu. XII Danh sách ký hiệu. XIII Danh sách viết tắt. XIII Danh mục hình ảnh.
XV Danh mục bảng biểu. 1 Giới thiệu luận văn .1 Lý do chọn đề tài.2 Mục tiêu của luận văn .3 Phương pháp tiếp cận .1 Lịch sử nghiên cứu động cơ gió trục đứng. 7 Các thông số của động cơ gió trục đứng. 7 Các phương pháp nghiên cứu động cơ gió trục đứng .2 Lịch sử nghiên cứu hiện tượng mất lực nâng động .22 X Các thông số của mất lực nâng động .23 Các phương pháp nghiên cứu mất lực nâng động.
38 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ - CFD .2 Các phương trình cơ bản .38 Phương pháp tuần tự .39 Rời rạc hóa miền thời gian và không gian .3 Các mô hình rối .42 Mô hình rối k-ε .42 Mô hình rối k-ω SST .46 Mô hình rối Transition SST .4 Các điều kiện biên .49 Điều kiện biên vận tốc đầu vào.49 Điều kiện biên áp suất đầu ra.49 Điều kiện biên đối xứng .50 Điều kiện biên thành rắn .5 Ví dụ kiểm chứng – bài toán tấm phẳng .50 Giới thiệu bài toán tấm phẳng.50 Thiết lập hình học và rời rạc hóa bài toán .51 Thiết lập điều kiện biên .52 Phân tích kết quả tính toán. 57 Phân tích đặc tính khí động hiện tượng mất lực nâng tĩnh và hiện tượng mất lực nâng động .1 Phân tích đặc tính khí động của hiện tượng mất lực nâng tĩnh .58 Thông số hình học .58 Rời rạc hóa miền tính .59 XI Điều kiện biên .60 Phân tích kết quả .2 Phân tích đặc tính khí động của hiện tượng mất lực nâng động .66 Thông số mô hình nghiên cứu .66 Rời rạc hóa miền tính .67 Điều kiện biên .68 Phân tích kết quả. 76 Phân tích đặc tính khí động của hiện tượng mất lực nâng động trên động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng .1 Mô hình hóa bài toán dòng qua động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng.77 Thông số hình học .77 Rời rạc hóa miền tính .79 Điều kiện biên tính toán .80 Giải thuật và mô hình rối .2 Kết quả và nhận xét .82 Đánh giá độ hội tụ .82 Khảo sát moment và công suất trên toàn động cơ gió .84 Khảo sát moment trên một lá cánh. 95 Kết luận và hướng phát triển .1 Các thành quả đạt được .2 Những hạn chế .3 Hướng nghiên cứu tiếp theo .97 Tài liệu tham khảo.
98 XII Chú giải ký hiệu Ký hiệu swept Diện tích quét của động cơ gió Lưu lượng thực đi qua phần tử - Chiều dài dây cung cánh - p Hệ số công suất - T Hệ số moment - Đường kính động cơ gió Đường kính trục Năng lượng toàn phần cho một đơn vị khối lượng - Đường kính động cơ gió ⃗ Lực áp suất ⃗ Lực nhớt Tensor đơn vị - Độ rối % Lưu lượng khối lượng qua bề mặt f - Đường kính thủy lực m Chiều dài đặc trưng m Năng lượng rối động học m2/s2 Số cánh động cơ gió Số March Áp suất của lưu chất Pa Công suất ⃗ Lưu lượng nhiệt / XIII Bán kính của động cơ gió m Hằng số khí Số Reynolds T Nhiệt độ K T Moment Nm Vận tốc theo phương x m/s Vận tốc trung bình m/s Vận tốc của dòng tự do m/s V Vận tốc gió m/s Vận tốc theo phương y m/s ⃗ Vector vận tốc m/s w Vận tốc theo phương z m/s Danh sách ký hiệu Góc tới rad Độ phân tán rối m2/s3 Độ dày đặc Đại lượng tensor bất kỳ Góc phương vị Rad Vận tốc mũi Hệ số nhớt động lực học chất lỏng Ns/m2 Hệ số nhớt động học của không khí m2/s Khối lượng riêng của không khí Kg/m3 ∆ Bước thời gian s Tensor ứng suất Pa Vận tốc góc rad/s ̇ Gia tốc góc rad/s Danh sách viết tắt HAWT Horizontal Axis Wind Turbine VAWT Vertical Axis Wind Turbine CFD Computatitional Fluid Dynamics XIV RAS Reynolds Averaged Simulation LES Large Eddy Simulation RNG Renormalziation Group SST Shear Stress Transport RSM Reynolds Stress DES Detached Eddy Simulation UDF User Decined Function 2D Two Dimension 3D Three Dimension LE Leading Edge TE Trailing Edge TSR Tip Speed Ratio XV Danh mục hình ảnh Hình 1-1 – Phân loại động cơ gió trục đứng theo trục quay. 1 Hình 2-1 – Mô hình 3D và dạng mặt cắt của động cơ gió trục đứng. 8 Hình 2-2 – Mối quan hệ giữa tỉ số vận tốc mũi và hệ số công suất. 8 Hình 2-3 – Mối quan hệ giữa hệ số dày đặc và ∗ [9].
9 Hình 2-4 – Ảnh hưởng của hệ số dày đặc lên hệ số công suất của động cơ gió [10].10 Hình 2-5 – Ảnh hưởng của số Reynolds lên hệ số công suất, σ=0. 10 Hình 2-6 – Ảnh hưởng của góc tới lên tỉ số vận tốc mũi [10].11 Hình 2-7 – So sánh ảnh hưởng của góc đặt cánh cố định (fixed pitch) và góc đặt cánh thay đổi (variable pitch) lên hệ số moment [12].11 Hình 2-8 – Đường đặc tính hệ số công suất theo tỉ số vận tốc mũi (Cp- λ) của các loại biên dạng cánh tại số Reynolds 100 000 [13].12 Hình 2-9 – Phân tích vectơ lực tác động lên cánh động cơ gió trục đứng [14].12 Hình 2-10 – Mô hình đơn ống dòng [16].13 Hình 2-11 – Mô hình đa ống dòng một lớp [17].14 Hình 2-12 – Vận tốc gió tương ứng tại trước và sau động cơ trong mô hình đa ống dòng hai lớp [18].15 XVI Hình 2-13 – So sánh giữa mô hình xoáy của Strickland với thực nghiệm và mô hình đơn ống dòng cho động cơ gió trục đứng [20].16 Hình 2-14 – Dữ liệu thực nghiệm từ kết quả đo lực áp suất tiếp tuyến FT cho một cánh động cơ gió NACA 0015 (σ=0.17 Hình 2-15 – Dữ liệu thực nghiệm PIV cho a.17 Hình 2-16 – Đường đặc tính vận tốc trung bình của đường dòng λ = 2.18 Hình 2-17 – So sánh cấu trúc xoáy tại thượng nguồn (upwind) giữa CFD và PIV với λ = 2 [37].20 Hình 2-18 – So sánh cấu trúc xoáy tại hạ nguồn (downwind) giữa CFD và PIV với λ = 2 [37].21 Hình 2-19 – Hệ số công suất của mô hình 2D, và 3D so với dữ liệu thực nghiệm của các nghiên cứu [42] [48] [4] [37] [46] [51] .22 Hình 2-20 – Quá trình xuất hiện mất lực nâng tĩnh tại góc tới α = 20o [52] .23 Hình 2-21 – Hệ số lực nâng và lực cản của NACA 0015 theo góc tới (Sheldahl & Klimas, 1981) [53].23 Hình 2-22 – Mô tả các sự kiện của mất lực nâng động [54] [56].24 Hình 2-23 – Mất lực nâng nhẹ (light stall) và mất lực nâng sâu (deep stall) [53].25 Hình 2-24 – Ảnh hướng của hệ số giảm tần số đến các chế độ mất lực nâng [57].26 Hình 2-25 – Chế độ light stall cho các biên dạng cánh khác nhau (α = 10o ± 5o, k=0.27 Hình 2-26 – Phân tích các thành phần của vận tốc tại một vị trí góc chỉ phương [23].28 Hình 2-27 – Mối quan hệ giữa góc ngóc cực đại và tỉ số vận tốc mũi [60].28 XVII Hình 2-28 – Ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc dòng đến tỉ số vận tốc mũi [40].29 Hình 2-29 – Minh họa tương tác giữa các cấu trúc xoáy của mất lực nâng động tại λ =1; λ =2 [25].29 Hình 2-30 – So sánh cấu trúc dòng giữa CFD và thực nghiệm a.31 Hình 2-31 – So sánh xoáy giữa các mô hình rối: LES; Spalart-Allmaras; k-ε [26].32 Hình 2-32 – So sánh hệ số lực cản Cd của mô hình rối: RNG k-ε,S-A k-ω SST, k-ε và k-ω SST và LRN với thực nghiệm [37].34 Hình 2-33 – So sánh hệ số lực nâng CL của mô hình rối: RNG k-ε, S-A k-ω SST, k-ε và k-ω SST và LRN với thực nghiệm [37].34 Hình 2-34 – So sánh hệ số công suất giữa CFD với thực nghiệm, tỉ số vận tốc mũi từ 0. Mô hình rối k-ω SST [70].35 Hình 2-35 – So sánh kết quả lực tiếp tuyến CT và lực pháp tuyến CN giữa CFD và thực nghiệm cho λ=0. Mô hình rối 2D URANS, 2.35 Hình 2-36 – So sánh cấu trúc xoáy trên cánh của a.5 LES với iso-surface Q = 1000; λ=1.36 Hình 3-1 – Kích thước miền tính và điều kiện biên bài toán tấm phẳng .51 Hình 3-2 – Cấu trúc lưới bài toán tấm phẳng.51 Hình 3-3 – Giản đồ hội tụ bài toán tấm phẳng.52 Hình 3-4 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của y+ lên hệ số lực cản nhớt .53 Hình 3-5 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát theo mô hình k-ε.54 Hình 3-6 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát theo mô hình rối.54 XVIII Hình 3-7 – Biểu đồ phân bố hệ số lực cản ma sát của mô hình Transition k-kl- ω theo .