Вишекритеријумска оптимизација композитних лопатица ветротурбина

Abstract

Предмет истраживања ове докторске дисертације је ротор Даријусове ветротурбине који се састоји од три равне лопатице. Циљ истраживања је развијање методологије прорачуна и оптимизације помоћу које се брзо и једноставно може успоставити побољшани прелиминарни дизајн ветротурбине са вертикалном осом обртања. Иако је начелно једноставне конструкције, анализа ове ветротурбине укључује изузетно комплексну аеродинамичку слику. Опструјавање ротора при различитим радним режимима је разматрано како тродимензионално – аеродинамички прорачун је извршен моделом прорачунске механике флуида. Даље, развијен је параметризовани структурни модел лопатице. Резултати спроведеног аеродинамичког прорачуна, структурни модел и метод прорачуна (МКЕ) су искоришћени за оптимизацију дефинисаних параметара структуре лопатице (броја ni и оријентације θi слојева ламинатне структуре композитне лопатице). Као метод оптимизације изабрана је оптимизација ројем честица. За спровођење целог поступка развијен је сопствени код. Детаљном анализом добијеног скупа решења изабран је одговарајући модел лопатице који је и реализован поступком мокрог ређања платана. Експерименталним испитивањима, методама мерних трака и дигиталне корелације слика, израђене лопатице ламинатне композитне структуре добијени су резултати који валидирају претходну нумеричку поставку.

Topic of this doctoral dissertation is Darrieus wind turbine rotor which contains three straight blades. Research goal is the development of methodology of computation and optimization that enables fast and simple definition of improved preliminary redesign of vertical axis wind turbine. Although the rotor geometry is simple, its aerodynamic analysis is quite complex. Fluid flow around wind turbine at different tip speed ratios has been considered three-dimensional. Aerodynamic computation has been performed by CFD methods. Furthermore, a parametric structural blade model has been developed. The results of the conducted aerodynamic simulations, the structural model and the FEM model have been used to optimize the chosen parameters of the blade structure (ply number and ply lay-up of the composite blade). Optimizations have been performed by particle swarm method. The whole procedure has been realized by an in-house code. Detailed analysis of obtained Pareto sets resulted in most suitable blade model that was manufactured by wet hand lay-up procedure. Through experimental testing of the produced laminate composite blade, by strain gauges and digital image correlation system, the previously developed numerical framework has been validated.