Aerodynamic Form Optimization in Bionic Turbine Blade Design

Year 2023, , 45 - 56, 29.12.2023

Gülsüm Kılıç , Asım Sinan Karakurt

https://doi.org/10.58771/joinmet.1317372

Abstract

Wind energy technology is based on the conversion of mechanical energy into electrical energy as a result of the wind turning the turbine blades. The wind potential of the place where the wind turbine will be installed is very important for an efficient electricity production. Airfoil, wing structure and the ratio of drag coefficient to lift coefficient (CL/CD) are also important parameters that affect turbine performance in terms of efficiency. In different wing profiles, the ratio of the same angle of attack may differ. In this study, a channel was opened on the NACA-4412 profile, inspired by the owl wing form with the biomimicry method. The channels are formed in such a way that the channel width is 12 mm and the channel depth is 5 pieces with a distance of 40 mm on the
entire surface by reducing the surface of the airfoil by 10%. Analyzes were performed when Reynolds numbers were 2.5x104 ,5x104, 7.5x104 and angles of attack were 8°, 12°, 20°. The drag coefficient and lift coefficient values were obtained for the ducted model. It was observed that the CL/CD ratio increased approximately 4 and 8 times in the channel model at 8° and 12° of the angle of attack at a value of 2.5x104 Reynolds number. At 20°, when the reference model is stalled, the channel opened model is more stable and the solution can be realized. It was observed that the CL/CD ratio increased approximately 4 and 7 times in the channel model at 8° and 12° of the angle of attack at a Reynolds number of 5x104. At 7.5x104 Reynolds number, at 8° and 12° of the angle of attack, there was an increase of approximately 5 and 8 times in the CL/CD ratio in the channel model.

Keywords

Aerodynamic optimisaiton, Biomimicry, Blade efficiency, Wind turbine

Biyonik Türbin Kanadı Tasarımında Aerodinamik Form Optimizasyonu

Abstract

Rüzgâr enerjisi teknolojisi, rüzgârın türbin kanatlarını döndürmesi sonucu mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesi esasına dayanır. Rüzgâr türbininin kurulacağı yerin rüzgâr potansiyeli, verimli bir elektrik üretimi için oldukça önemlidir. Türbinlerde kullanılan jeneratör tipi, kanat aerodinamiği ve kanat sayısı verimi etkileyen faktörlerdendir. Kanat profili, kanat yapısı ve sürüklenme katsayısının kaldırma katsayısına oranı da (CL/CD) verimlilik bakımından türbin performansını etkileyen önemli parametrelerdir. Farklı kanat profillerinde aynı hücum açısında (CL/CD) oranı farklılık gösterebilmektedir. Bu çalışmada biyomimikri yöntemi ile baykuş kanadı formundan ilham alınarak NACA-4412 profili üzerinde kanal açılmıştır. Kanallar, kanal genişliği 12 mm ve kanal derinliği kanat profilinin yüzeyinin %10 oranında küçültülmesiyle tüm yüzeyde 40 mm mesafe ile 5 tane olacak şekilde oluşturulmuştur. Analizler Reynolds sayılarının 2,5x104, 5x104, 7,5x104 ve hücum açılarının 8°, 12°, 20° olması durumlarında gerçekleştirilmiştir. Kanallı model için sürüklenme katsayısı (CD) ve kaldırma katsayısı (CL) değerleri elde edilmiştir. Kanallı ve kanalsız model için analizlerin gerçekleştirildiği hücum açıları ve Reynolds sayılarında kaldırma katsayısı/sürüklenme katsayısı (CL/CD) oranları kıyaslanmıştır. Reynolds sayısının 2,5x104 değerinde hücum açısının 8° ve 12°’lerinde kanallı modelde CL/CD oranında yaklaşık olarak 4 ve 8 katı artış olduğu görülmüştür. 20° de ise referans modelde stall durumu söz konusuyken kanal açılmış model daha kararlı bir yapıda olup çözüm gerçekleştirilebilmiştir. Reynolds sayısının 5x104 değerinde hücum açısının 8° ve 12°’lerinde kanallı modelde CL/CD oranında yaklaşık olarak 4 ve 7 katı artış olduğu görülmüştür. Reynolds sayısının 7,5x104 değerinde hücum açısının 8° ve 12°’lerinde kanallı modelde CL/CD oranında yaklaşık olarak 5 ve 8 katı artış olduğu görülmüştür.

Keywords

Aerodinamik optimizasyon, Biomimikri, Kanat verimi, Rüzgâr türbini

Thanks

Bu çalışma Yıldız Teknik Üniversitesi Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bölümü müfredatında yer alan GIM4000 Bitirme Tezi dersi kapsamında gerçekleştirilmiştir.

References

• Bashir, M. B. A. (2022). Principle Parameters and Environmental Impacts that Affect the Performance of Wind Turbine: An Overview. Arabian Journal for Science and Engineering, 47(7), 7891-7909. https://doi.org/10.1007/s13369-021-06357-1
• Başak, H., & Demi̇rhan, H. (2017). Kambur Balina’nın Yüzgeçlerinden Esinlenerek Oluşturulan Kanat Profil Veriminin CFD Analizi ile İncelemesi. Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 3(2), Article 2.
• Benyus, J. M. (2002). Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. Harper Perennial. Çolak, İ., & Demi̇rtaş, M. (2010). Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Üretiminin Türkiye’deki Gelişimi. TÜBAV Bilim Dergisi, 1(2), Article 2.
• DOE. (2022). Land-Based Wind Market Report. U.S. Department of Energy. https://www.energy.gov/eere/wind/articles/land-based-wind-market-report-2022-edition.
• Elia, A., Taylor, M., Ó Gallachóir, B., & Rogan, F. (2020). Wind turbine cost reduction: A detailed bottom-up analysis of innovation drivers. Energy Policy, 147, 111912. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2020.111912.
• Eli̇büyük, U., & Üçgül, İ. (2014). Rüzgar Türbinleri, Çeşitleri Ve Rüzgar Enerjisi Depolama Yöntemleri. Yekarum, 2(3), Article 3.
• Ge, C., Ren, L., Liang, P., Zhang, C., & Zhang, Z. (2013). High-Lift Effect of Bionic Slat Based on Owl Wing. Journal of Bionic Engineering, 10(4), 456-463. https://doi.org/10.1016/S1672-6529(13)60243-7.
• Karasu, İ., Özden, M., & Genç, M. S. (2018). Performance Assessment of Transition Models for Three-Dimensional Flow Over NACA4412 Wings at Low Reynolds Numbers. Journal of Fluids Engineering, 140(12), 121102. https://doi.org/10.1115/1.4040228.
• Kevadiya, M., & Vaidya, H. (2013). 2D Analysis of NACA 4412 Airfoil. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 02, 1686-1691.
• Khan, M. A. (2021). Aerodynamic characterization of bio-mimicked pleated dragonfly aerofoil. International Journal of Aviation, Aeronautics, and Aerospace. https://doi.org/10.15394/ijaaa.2021.1562.
• Krylov, V., & Bedder, W. (2015, Haziran 1). Calculations of sound radiation associated with “tunnel boom” from high-speed trains.
• Rao, C., Ikeda, T., Nakata, T., & Liu, H. (2017). Owl-inspired leading-edge serrations play a crucial role in aerodynamic force production and sound suppression. Bioinspiration & Biomimetics, 12(4), 046008. https://doi.org/10.1088/1748-3190/aa7013.
• Rosa, F., Soetikno, P., Suweca, I. W., & Moelyadi, M. A. (2022). A new airfoil based on banana leaf midrib morphology for horizontal axis wind turbine. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1108(1), 012001. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1108/1/012001.
• Seyed Alavi, S. M., Maleki, A., & Khaleghi, A. (2022). Optimal site selection for wind power plant using multi-criteria decision-making methods: A case study in eastern Iran. International Journal of Low-Carbon Technologies, 17, 1319-1337. https://doi.org/10.1093/ijlct/ctac009.
• Song, L., Tian, K., Jiao, X., Feng, R., Wang, L., & Tian, R. (2021). Design and optimization of seagull airfoil wind energy conversion device. International Journal of Green Energy. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15435075.2021.1890087.
• Srivastav, D., & Ponnani, K. N. (2011). Surface Modifications for Improved Maneuverability and Performance of an Aircraft. Volume 1: Advances in Aerospace Technology; Energy Water Nexus; Globalization of Engineering; Posters, 121-127. https://doi.org/10.1115/IMECE2011-63381.
• Sule, M., Coskun, C., & Oktay, Z. (2022). Rüzgâr Türbinlerinde Verim Arttırmaya Yönelik Çalışmalar. İçinde Mühendislik Bilimleri Alanında Yeni Trendler (1. bs). Duvar Yayınları.
• Tian, W., Yang, Z., Zhang, Q., Wang, J., Li, M., Ma, Y., & Cong, Q. (2017). Bionic Design of Wind Turbine Blade Based on Long-Eared Owl’s Airfoil. Applied Bionics and Biomechanics, 2017, 1-10. https://doi.org/10.1155/2017/8504638.
• Uzun, M., Özdemi̇R, M., Yildirim, Ç. V., & Çoban, S. (2022). A Novel Biomimetic Wing Design and Optimizing Aerodynamic Performance. Journal of Aviation, 6(1), 12-25. https://doi.org/10.30518/jav.1031989.