Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ

Ονοματεπώνυμο: Σταύρος Ν. Λελούδας

Αριθμός Μητρώου: 2015019060

Θέμα

Τίτλος στα Ελληνικά: Σχεδιασμός και Βελτιστοποίηση Ανεμογεννητριών Υποβοηθούμενων από Διαχύτη

Τίτλος στα Αγγλικά: Design and Optimization of Diffuser-Augmented Wind Turbines

Εξεταστική Επιτροπή:

Επιβλέπων: Ιωάννης Κ. Νικολός, Καθηγητής Σχολής Μ.Π.Δ., Πολυτεχνείου Κρήτης

Πρώτο Μέλος: Ανάργυρος Ι. Δελής, Καθηγητής Σχολής Μ.Π.Δ., Πολυτεχνείου Κρήτης

Δεύτερο Μέλος: Φώτιος Κανέλλος, Αν. Καθηγητής Σχολής ΗΜΜΥ, Πολυτεχνείου Κρήτης

Τρίτο Μέλος: Κυριάκος Γιαννάκογλου, Καθηγητής Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π.,

Τέταρτο Μέλος: Σπυρίδωνας Βουτσινας, Καθηγητής Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π.,

Πέμπτο Μέλος: Βασίλειος Ριζιώτης, Αν. Καθηγητής Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π.,

Έκτο Μέλος: Γεώργιος Αραμπατζής, Αν. Καθηγητής Σχολής Μ.Π.Δ., Πολυτεχνείου Κρήτης.

Περίληψη

Περίληψη Διατριβής στα Ελληνικά:

Οι ανεμογεννήτριες υποβοηθούμενες από διαχύτη (diffuser-augmented ή shrouded wind turbines) αντιπροσωπεύουν μια ευρεία κατηγορία εξαιρετικά ευέλικτων συστημάτων συγκομιδής αιολικής ενέργειας, τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα επίτευξης συντελεστών ισχύος που υπερβαίνουν το θεωρητικό όριο του Betz, και συνεπώς μπορούν να συμβάλλουν στην οικονομική βιωσιμότητα της παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από χαμηλό αιολικό δυναμικό, όπως το αστικό περιβάλλον. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη και επικύρωση αποτελεσματικών υπολογιστικών εργαλείων και αριθμητικών μεθοδολογιών, για την αεροδυναμική ανάλυση και τη βελτιστοποίηση ανεμογεννητριών υποβοηθούμενων από διαχύτη.

Αρχικά, η παρούσα διδακτορική μελέτη εστιάζει στην ανάπτυξη και επικύρωση των αποτελεσμάτων ενός υπολογιστικού κώδικα που βασίζεται στη θεωρία Στοιχείων Πτερύγωσης - Δίσκου Ορμής (Blade Element Momentum – BEM). Το συγκεκριμένο υπολογιστικό μοντέλο χαρακτηρίζεται από την κατάλληλη τροποποίηση/επέκταση της κλασικής θεωρίας ΒΕΜ για την περίπτωση ανεμογεννητριών υποβοηθούμενων από διαχύτη, η οποία υλοποιείται μέσω της αδιάστατης συνιστώσας της αξονικής ταχύτητας στο επίπεδο του ρότορα, υπό την απουσία φόρτισης. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του προτεινόμενου υπολογιστικού μοντέλου – τόσο για την περίπτωση συμβατικών ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα, όσο και για αυτή ανεμογεννητριών υποβοηθούμενων από διαχύτη – επικυρώνεται μέσω της σύγκρισης των αντίστοιχων αποτελεσμάτων με αριθμητικά και πειραματικά δεδομένα από τη διεθνή βιβλιογραφία.

Στη συνέχεια, η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει την εφαρμογή της Μεθόδου Τεχνητής Συμπιεστότητας (Artificial Compressibility Method – ACM) για την αριθμητική πρόλεξη ασυμπίεστων και αξονοσυμμετρικών ροών, που χαρακτηρίζονται από την παρουσία περιφερειακής συνιστώσας της ταχύτητας (swirling velocity). Ο αντίστοιχος ακαδημαϊκός αριθμητικός επιλύτης που αναπτύχθηκε – επονομαζόμενος IGal2D – βασίζεται στην αξονοσυμμετρική μορφή των διαφορικών εξισώσεων Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), οι οποίες έχουν τελικά διατυπωθεί για ένα ψευδο-καρτεσιανό σύστημα αναφοράς και εμπλουτιστεί με την προσθήκη της περιφερειακής συνιστώσας της εξίσωσης της ορμής. Η εγκυρότητα της παρούσας μεθοδολογίας, και του αντίστοιχου λογισμικού, επαληθεύονται μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων με πλήθος αριθμητικών και πειραματικών δεδομένων αναφοράς, τα οποία είναι διαθέσιμα στη βιβλιογραφία, καθώς και με τα αποτελέσματα του εμπορικού λογισμικού ANSYS Fluent, για διάφορους τύπους αξονοσυμμετρικών ασυμπίεστων ροών.

Επιπλέον, η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει την ανάπτυξη και επικύρωση των αποτελεσμάτων ενός αξονοσυμμετρικού μοντέλου RANS - BEM, για την ταυτόχρονη πρόλεξη της απόδοσης του ρότορα και των χαρακτηριστικών της περιβάλλουσας ροής. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία βασίζεται ουσιαστικά στο συνδυασμό των λογισμικών BEM και IGal2D, τα οποία αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής.

Πέραν των προαναφερθέντων λογισμικών ανάλυσης, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται επίσης στη σχεδίαση και την αεροδυναμική αξιολόγηση μιας πλήρους οικογένειας αεροτομών, για χαμηλούς αριθμούς Reynolds και ολόκληρο το εύρος πτερυγίων μικρών ανεμογεννητριών, με στόχο τη μείωση των επιπτώσεων της αποκόλλησης του οριακού στρώματος, τη βελτίωση της απόκρισης του ρότορα κατά την εκκίνηση, και την επίτευξη αποδεκτών επιπέδων δομικής ακεραιότητας. Συγκεκριμένα, η προτεινόμενη οικογένεια αεροτομών αποτελείται από έξι αεροτομές με διαφορετικό σχετικό πάχος, οι οποίες σχεδιάστηκαν αυξάνοντας την κατανομή πάχους της αεροτομής RG15 έως και 50 τοις εκατό, και υιοθετώντας ένα στρογγυλεμένο χείλος εκφυγής (trailing edge) με διάμετρο ίση με 1 τοις εκατό του μήκους της χορδής.

Τέλος, η παρούσα διατριβή – όπως δηλώνει και ο τίτλος της – παρουσιάζει την ανάπτυξη και εφαρμογή μιας ενιαίας, σπονδυλωτής, υπολογιστικής μεθοδολογίας για τον αυτοματοποιημένο βέλτιστο σχεδιασμό ανεμογεννητριών υποβοηθούμενων από διαχύτη, η οποία συνδυάζει τα προαναφερθέντα λογισμικά/μοντέλα ανάλυσης με μια παράλληλη και ασύγχρονη έκδοση ενός Διαφορικού Εξελικτικού αλγορίθμου. Στις περιπτώσεις όπου απαιτείται η παραμετροποίηση και παραμόρφωση του υπολογιστικού πλέγματος, αυτές επιτυγχάνονται μέσω ενός λογισμικού το οποίο επίσης αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής και βασίζεται στην τεχνική της Ελεύθερης Παραμόρφωσης (Free-Form Deformation). Η διαδικασία βελτιστοποίησης εφαρμόζεται επαναληπτικά μέχρι την ολοκλήρωση του προκαθορισμένου αριθμού γενεών, ενώ ο εξελικτικός αλγόριθμος αλληλεπιδρά με τα λογισμικά παραμετροποίησης, ανάλυσης και μετα-επεξεργασίας των αποτελεσμάτων, εντός ενός πλήρως αυτοματοποιημένου πλαισίου, χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένα scripts. Τελικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται σε τρεις

διαφορετικές περιπτώσεις βελτιστοποίησης σχεδιασμού, οι οποίες αφορούν:

1. Τη βέλτιστη αεροδυναμική σχεδίαση πτερυγίων για μία δεδομένη γεωμετρία διαχύτη.

2. Τη βέλτιστη αεροδυναμική σχεδίαση ενός διαχύτη υπό μηδενική φόρτιση ρότορα.

3. Την ταυτόχρονη βέλτιστη αεροδυναμική σχεδίαση πτερυγίων και διαχύτη.

Ημερομηνία Εξέτασης

Ημέρα/Μήνας/Έτος: Παρασκευή, 15-3-2024

Ώρα:16:30

Χώρος Εξέτασης

https://tuc-gr.zoom.us/j/94384494709?pwd=WkhsNnBUbW9FdnBVVVg0eDhvK0Q5dz09

Meeting ID: 943 8449 4709

Password: 570148