Düşük Reynolds Sayılarında Rüzgâr Türbini Kanat Profillerinin Aerodinamik Performans Analizi

Öz

Bu çalışmada, düşük Reynolds sayısı koşullarında çalışan rüzgâr türbinleri için uygun kanat profillerinin aerodinamik performansı, Erzurum ili rüzgâr koşulları esas alınarak sayısal yöntemlerle incelenmiştir. Analizler, rüzgâr türbini uygulamalarında yaygın olarak kullanılan NACA 4412, NACA 4415 ve NACA 6412 kanat profilleri için, 3×10⁴–5×10⁵ Reynolds sayısı aralığında ve farklı geçiş kriterlerini temsil eden Ncrit = 6, 8 ve 9 değerleri altında gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu aerodinamik hesaplamalar XFLR5 yazılımı kullanılarak yapılmış; kaldırma katsayısı (CL), sürükleme katsayısı (CD), basınç sürükleme katsayısı (CDp), aerodinamik verimlilik (CL/CD) ve geçiş konumları hücum açısına bağlı olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, Reynolds sayısının artmasıyla birlikte kaldırma üretiminin ve aerodinamik verimliliğin belirgin biçimde iyileştiğini, düşük Reynolds sayılarında ise laminer ayrılma ve yüksek sürükleme etkilerinin baskın olduğunu göstermektedir. Geçiş parametresi Ncrit’in özellikle Re = 3×10⁴ koşulunda önemli bir rol oynadığı; düşük Ncrit değerlerinin erken geçişe bağlı olarak kaldırma katsayısını artırırken, üst yüzeydeki geçiş konumunu öne çektiği ve basınç sürüklemesini etkilediği belirlenmiştir. Yüksek Reynolds sayısında ise Ncrit değişiminin aerodinamik performans üzerindeki etkisinin sınırlı kaldığı görülmüştür. Genel olarak, NACA 6412 kanat profili, Erzurum ili rüzgâr koşullarını temsil eden Reynolds sayısı aralığında, aerodinamik verimlilik açısından diğer profillere kıyasla daha avantajlı bir performans sergilemiştir. Bu çalışma, düşük rüzgâr hızlarının hâkim olduğu bölgelerde rüzgâr türbini kanat profili seçiminin Reynolds sayısı ve geçiş karakteristikleri birlikte değerlendirilerek yapılması gerektiğini ortaya koymakta; Erzurum ili özelinde bölgesel uygulamalara yönelik özgün bir bakış açısı sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Rüzgar türbini
• aerodinamik
• kanat profili
• hücum açısı
• sayısal analiz

Aerodynamic Performance Analysis of Wind Turbine Airfoils at Low Reynolds Numbers

Öz

In this study, the aerodynamic performance of wind turbine airfoil profiles operating under low Reynolds number conditions was numerically investigated based on the regional wind characteristics of Erzurum province, Turkey. Considering the low and moderate wind speed regime dominant in this region, the Reynolds number range was selected between 3x104 and 5x105, which is representative of small and medium-scale horizontal-axis wind turbines. Three widely used airfoil profiles, namely NACA 4412, NACA 4415, and NACA 6412, were analyzed using two-dimensional simulations performed with the XFLR5 software. The analyses were conducted over an angle of attack range from 0° to 18°, and the effects of Reynolds number and boundary layer transition characteristics were examined by considering different transition parameters (Ncrit = 6, 8, and 9). Aerodynamic performance was evaluated in terms of lift coefficient (CL), drag coefficient (CD), pressure drag coefficient (CDp), aerodynamic efficiency (CL/CD), and upper surface transition location (Top Xtr). The results indicate that increasing Reynolds number significantly enhances aerodynamic efficiency for all airfoil profiles, primarily due to reduced drag and delayed flow separation. At low Reynolds number (Re = 3x104 , the transition parameter has a pronounced effect on lift generation and drag behavior, where lower Ncrit values lead to earlier transition, reduced pressure drag, and improved lift characteristics. In contrast, at higher Reynolds numbers (Re =5x105), the influence of Ncrit on lift performance becomes negligible. Among the investigated profiles, NACA 6412 exhibits superior aerodynamic efficiency within the Reynolds number range representative of Erzurum wind conditions, making it a favorable candidate for regional wind turbine applications. Overall, this study highlights the critical role of Reynolds number and transition characteristics in low-Reynolds-number aerodynamics and provides valuable insights for airfoil selection and performance optimization of wind turbines operating in low wind speed regions.

Anahtar Kelimeler

• Wind turbine
• aerodynamic
• numerical analysis
• • Aerodynamic efficiency
• • Low Reynolds number

Kaynakça

1. Abubakar, M. A., Bawa, M. A., Muhammad, M. H., & Dandakouta, H. (2025). Design, optimization, and determination of lift and drag forces of NACA aerofoils for enhanced performance. Unizik Journal of Technology, Production and Mechanical Systems (UJTPMS), 6(1).
2. Abbott, I. H., & von Doenhoff, A. E. (1959). Including a summary of Airfoil data. New York.
3. Buğday, M. (2025). Aerodynamic performance analysis of NACA 0015 airfoil at low Reynolds numbers. Havacılık ve Uzay Çalışmaları Dergisi, 5(1), 65-85. https://doi.org/10.52995/jass.1619615
4. Chen, B., Zhang, Z., Hua, X., Nielsen, S. R. K., & Basu, B. (2018). Enhancement of flutter stability in wind turbines with a new type of passive damper of torsional rotation of blades. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 173, 171–179. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2017.12.011
5. Chen, Z., Shi, Z., Chen, S., & Yao, Z. (2022). Stall flutter suppression of NACA 0012 airfoil based on steady blowing. Journal of Fluids and Structures, 109. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2021.103472
6. Drela, M. (1989, June). XFOIL: An analysis and design system for low Reynolds number airfoils. In Low Reynolds number aerodynamics: proceedings of the conference notre dame, Indiana, USA, 5–7 June 1989 (pp. 1-12). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
7. Global Wind Atlas. (2024). Global wind atlas database. Erişim adresi: https:// windatlas.info/en/
8. Goyaniuk, L., Poirel, D., & Benaissa, A. (2020). Pitch–heave symmetric stall flutter of a NACA0012 at transitional Reynolds numbers. AIAA Journal, 58, 3286–3298. https://doi.org/10.2514/1.J059008

9. Gupta, R., & Ansell, P. J. (2018). Unsteady flow physics of airfoil dynamic stall. AIAA Journal, 57, 165–175. https://doi.org/10.2514/1.J057257
10. Jia, Y., Huang, J., Liu, Q., Zhao, Z., & Dong, M. (2024). The wind tunnel test research on the aerodynamic stability of wind turbine airfoils. Energy, 294, 130889. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.130889
11. Li, D., Li, R., Yang, C., & Wang, X. (2010). Effects of surface roughness on aerodynamic performance of a wind turbine airfoil. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC). https://doi.org/10.1109/APPEEC.2010.5448702
12. Liu, J., Chen, R., Lou, J., Hu, Y., & You, Y. (2023). Deep-learning-based aerodynamic shape optimization of rotor airfoils to suppress dynamic stall. Aerospace Science and Technology, 133. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.108089
13. Rendu, Q., Vahdati, M., & Salles, L. (2019). Radial decomposition of blade vibration to identify a stall flutter source in a transonic fan. Journal of Turbomachinery, 141. https://doi.org/10.1115/1.4044484
14. Ringenberg, H. C., & Farnsworth, J. A. N. (2022). Transient growth and decay of aeroelastic stall flutter. AIAA Science and Technology Forum and Exposition (SciTech). https://doi.org/10.2514/6.2022-0905
15. Tripathi, D., Shreenivas, R., & Bose, C. (2022). Experimental investigation on the synchronization characteristics of a pitch–plunge aeroelastic system exhibiting stall flutter. Journal of Nonlinear Science. https://doi.org/10.1063/5
16. Türkiye Rüzgar Enerjisi İstatistik Raporları. (2024). Türkiye rüzgar enerjisi istatistik raporları. Erişim adresi: https://tureb.tr/icerikler/turkiye-ruzgar-enerjisi-istatistik-raporlari
17. Yao, J., Yuan, W., Xie, J., Zhou, H., Peng, M., & Sun, Y. (2012). Numerical simulation of aerodynamic performance for two-dimensional wind turbine airfoils. Procedia Engineering.
18. Yilmaz, İ., Avci, A., & Arslankaya, E. A. (2025). Aerodynamic analysis of wind turbine blades: A numerical study. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. https://doi.org/10.29109/gujsc.1672741
19. Yu, D. O., & Kwon, O. J. (2014). Predicting wind turbine blade loads and aeroelastic response using a coupled CFD–CSD method. Renewable Energy, 70, 184–196. https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.03.033
20. Zhu, C., Qiu, Y., Feng, Y., Wang, T., & Li, H. (2022). Combined effect of passive vortex generators and leading-edge roughness on dynamic stall of the wind turbine airfoil. Energy Conversion and Management. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021