Modeling and Response of Horizontal Axis Wind Turbine Blade Based on Fluid-Structure Interaction
- 1. Port Said University
Description
Wind energy plays a significant role as a sustainable and renewable energy source. This paper deals with ANSYS to set up computational fluid dynamics (CFD) and structural analysis and then apply for use them to wind turbine (WT) blades. The present paper selected General Electric's (GE) horizontal axis wind turbine (HAWT) for 1.5 MW of renewable energy and focused on using the ANSYS package to calculate the tip velocity, pressure, power coefficient, deflection, flap-wise, and edge-wise deformation values. The simulation analysis considered three independent variables: wind speeds of (7, 10, 12, 15, and 20 m/s), blade position of (90, 180, 270, and 360⁰), and Five composite materials of (Carbon-Epoxy, E-Glass, S-Glass, Kevlar, and Technora). The shear stress transport (SST) turbulence was employed. The results show a good agreement between the tip velocity, power coefficient values, and the numerical simulation. The Epoxy E-Glass material exhibits the maximum blade deflection of 1.6363 m, while the Kevlar material has the minimum deflection of 0.41277 m. At a 90o angle, the Epoxy E-Glass material shows a maximum blade deflection of 1.4918 m, whereas the Kevlar material has a minimum deflection of 0.37381 m at a 270o angle. These findings highlight the importance of considering wind conditions and their effects on blade performance and structural integrity in wind turbine design and operation.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تلعب طاقة الرياح دورًا مهمًا كمصدر للطاقة المستدامة والمتجددة. تتعامل هذه الورقة مع ANSYS لإعداد ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) والتحليل الهيكلي ثم التقدم بطلب لاستخدامها في ريش التوربينات (WT). اختارت هذه الورقة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (GE) من جنرال إلكتريك (HAWT) بقدرة 1.5 ميجاوات من الطاقة المتجددة وركزت على استخدام حزمة ANSYS لحساب سرعة الطرف والضغط ومعامل الطاقة والانحراف والرفرف الحكيم وقيم التشوه الحافة. نظر تحليل المحاكاة في ثلاثة متغيرات مستقلة: سرعات الرياح (7، 10، 12، 15، و 20 م/ث)، وموضع الشفرة (90، 180، 270، 360درجة)، وخمس مواد مركبة من (كربون- إيبوكسي، إي- جلاس، إس- جلاس، كيفلر، وتكنورا). تم استخدام اضطراب نقل إجهاد القص (SST). تظهر النتائج توافقًا جيدًا بين سرعة الطرف وقيم معامل القدرة والمحاكاة العددية. تُظهر مادة إيبوكسي E - Glass أقصى انحراف للشفرة يبلغ 1.6363 متر، في حين أن مادة كيفلر لها الحد الأدنى من الانحراف البالغ 0.41277 متر. بزاوية 90 درجة، تُظهر مادة إيبوكسي E - Glass أقصى انحراف للشفرة يبلغ 1.4918 متر، في حين أن مادة كيفلر لها انحراف لا يقل عن 0.37381 متر بزاوية 270 درجة. تسلط هذه النتائج الضوء على أهمية النظر في ظروف الرياح وتأثيراتها على أداء الشفرة والسلامة الهيكلية في تصميم توربينات الرياح وتشغيلها.Translated Description (French)
L'énergie éolienne joue un rôle important en tant que source d'énergie durable et renouvelable. Cet article traite de l'ANSYS pour configurer la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et l'analyse structurelle, puis les utiliser pour les pales d'éoliennes (WT). Le présent article a sélectionné l'éolienne à axe horizontal (HAWT) de General Electric (GE) pour 1,5 MW d'énergie renouvelable et s'est concentré sur l'utilisation du package ANSYS pour calculer la vitesse de pointe, la pression, le coefficient de puissance, la déflexion, les valeurs de déformation des volets et des bords. L'analyse de simulation a pris en compte trois variables indépendantes : la vitesse du vent de (7, 10, 12, 15 et 20 m/s), la position de la pale de (90, 180, 270 et 360⁰) et cinq matériaux composites de (Carbon-Epoxy, E-Glass, S-Glass, Kevlar et Technora). La turbulence de transport de contrainte de cisaillement (SST) a été utilisée. Les résultats montrent un bon accord entre la vitesse de pointe, les valeurs de coefficient de puissance et la simulation numérique. Le matériau Epoxy E-Glass présente une déflexion maximale de la lame de 1,6363 m, tandis que le matériau Kevlar présente une déflexion minimale de 0,41277 m. À un angle de 90 °, le matériau Epoxy E-Glass présente une déflexion maximale de la lame de 1,4918 m, tandis que le matériau Kevlar présente une déflexion minimale de 0,37381 m à un angle de 270 °. Ces résultats soulignent l'importance de prendre en compte les conditions de vent et leurs effets sur les performances des pales et l'intégrité structurelle dans la conception et le fonctionnement des éoliennes.Translated Description (Spanish)
La energía eólica juega un papel importante como fuente de energía sostenible y renovable. Este documento trata sobre ANSYS para configurar la dinámica de fluidos computacional (CFD) y el análisis estructural y luego aplicarlos para su uso en palas de aerogeneradores (WT). El presente documento seleccionó la turbina eólica de eje horizontal (HAWT) de General Electric (GE) para 1,5 MW de energía renovable y se centró en el uso del paquete ANSYS para calcular los valores de velocidad de punta, presión, coeficiente de potencia, deflexión, aleta y deformación de borde. El análisis de simulación consideró tres variables independientes: velocidades del viento de (7, 10, 12, 15 y 20 m/s), posición de la pala de (90, 180, 270 y 360⁰) y cinco materiales compuestos de (Carbon-Epoxy, E-Glass, S-Glass, Kevlar y Technora). Se empleó la turbulencia de transporte de tensión de corte (SST). Los resultados muestran una buena concordancia entre la velocidad de la punta, los valores del coeficiente de potencia y la simulación numérica. El material Epoxy E-Glass exhibe la deflexión máxima de la pala de 1.6363 m, mientras que el material Kevlar tiene la deflexión mínima de 0.41277 m. En un ángulo de 90 °, el material Epoxy E-Glass muestra una deflexión máxima de la hoja de 1.4918 m, mientras que el material Kevlar tiene una deflexión mínima de 0.37381 m en un ángulo de 270 °. Estos hallazgos resaltan la importancia de considerar las condiciones del viento y sus efectos sobre el rendimiento de la pala y la integridad estructural en el diseño y operación de la turbina eólica.Files
article_322486_c029aed43e4a0463e357808c7d9c2d03.pdf.pdf
Files
(1.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b2d748e70fe088074354160c933cb0c2
|
1.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نمذجة واستجابة شفرة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي بناءً على تفاعل هيكل الموائع
- Translated title (French)
- Modélisation et réponse des pales d'éolienne à axe horizontal basées sur l'interaction fluide-structure
- Translated title (Spanish)
- Modelado y respuesta de palas de aerogenerador de eje horizontal basadas en la interacción fluido-estructura
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4388159966
- DOI
- 10.21608/pserj.2023.239660.1266