Numerical and Experimental Investigation of NACA-0018 Wind Turbine Aerofoil Model Performance for Different Aspect Ratios

Farklı Açıklık Oranlarındaki NACA-0018 Rüzgâr Türbini Kanat Modeli Performansının Sayısal ve Deneysel İncelenmesi

Abstract

Wind turbines used in the conversion of wind energy into useful energy consist of different aerofoil models. One of the most important factors affecting turbine performance is the change in aerodynamic performance of the aerofoil model. The aerodynamic performance of the NACA-0018 aerofoil model, which is likely to be used in wind turbine blades, has been investigated numerically and experimentally. Numerical studies for performance analysis were studied using ANSYS FluentTM 14,5 software, which is based on computational fluid dynamics (CFD), using SST (Shear Stress Transport) turbulence model. In numerical studies, Reynolds (Re) number was accepted as 5,7x104, and the analyses were repeated for every 2,5° angle of attack from 0° to 60°. Experimental studies were carried out in the open loop wind tunnel between 0°-60° for every 5° angle of attack. In both studies, the lift coefficient (CL), drag coefficient (CD) and aerodynamic efficiency (CL/CD) values of the NACA-0018 aerofoil model were determined for selected attack angles. According to the numerical results, a stall occurred at 32,5° angle of attack for the AR1 model, while at 25° for the AR2 model. Considering with the results of experimental study for AR1 and AR2, the CL value of both models was 0,41% and 2,71% better than the data obtained as a result of numerical studies, respectively. Similarly, it was concluded that the experimentally obtained CD values were 6.35% and 5.16% better than the numerical data for the AR1 and AR2 models, individually. As a result of numerical study, the CL/CD values obtained for AR1 and AR2 were 3.86% and 12.04% higher for each aerofoil model than the experimental data for the same structures. As a consequence of both experimental and numerical study, the aerodynamic efficiency of the AR1 structure from the structures of NACA-0018 aerofoil models having two different aspect ratios had a significant advantage compared to the AR2 before and after the stall.

Özet

Rüzgâr enerjisinin yararlı enerjiye dönüştürülmesinde kullanılan rüzgâr türbinleri, farklı kanat modellerinden oluşmaktadır. Türbin performansını etkileyen en önemli etkenlerden biri kanat modeli aerodinamik performansının değişimidir. Rüzgâr türbin kanatlarında kullanılması muhtemel olan NACA-0018 kanat modelinin aerodinamik performansı bu çalışma kapsamında, sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Performans analizi için yapılan sayısal çalışmalar hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) esasına göre çalışan ANSYS FluentTM 14,5 yazılımında SST (Shear Stress Transport) türbülans modeli altında incelenmiştir. Sayısal çalışmalarda Reynolds (Re) sayısı 5,7x104 kabul edilmiş, 0°’den 60°’ye kadar her 2,5°’lik hücum açısı için analizler tekrarlanmıştır. Deneysel çalışmalar ise açık çevrimli rüzgâr tünelinde her 5° hücum açısı için 0°-60° aralığında gerçekleştirilmiştir. Her iki çalışmada da belirlenen hücum açılarında kanat modelinin kaldırma katsayısı (CL), sürükleme katsayısı (CD) ve aerodinamik verimlilik (CL/CD) değerleri bulunmuştur. Sayısal sonuçlara göre açıklık oranı-1 (AR1) kanat modelinde 32,5°’de irtifa kaybı gözlenirken, açıklık oranı-2 (AR2) kanat modelinde ise 25°’de irtifa kaybı söz konusudur. AR1 ve AR2 kanat modelleri için yapılan deneysel çalışma sonuçlarına göre her iki kanadın CL değeri, sayısal çalışmalar neticesinde elde edilen verilerden sırasıyla %0,41 ve %2,71 oranında daha olumludur. Benzer şekilde deneysel olarak elde edilen CD değerlerinin AR1 ve AR2 kanat modeli için sayısal verilerden sırasıyla %6,35 ve %5,16 kadar daha iyi olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sayısal çalışma sonucu AR1 ve AR2 kanat modelleri için elde edilen CL/CD değerleri aynı yapılar için ölçülen deneysel verilerden her bir kanat modeli için sırasıyla %3,86 ve %12,04 daha yüksektir. Hem deneysel hem de sayısal çalışma sonucunda NACA-0018 kanat modelinin iki farklı açıklık oranına sahip yapılarından AR1 yapısının aerodinamik verimi, irtifa kaybı öncesi ve sonrasında AR2 kanadına göre belirgin bir avantaja sahiptir.

Keywords: Rüzgâr enerjisi, rüzgâr türbini, NACA-0018 kanat modeli, en-boy oranı, aerodinamik verim