Capitolo 3 - Facoltà di Ingegneria

UNIVERSITÀ DEL SALENTO
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea Specialistica in
Ingegneria Meccanica
Insegnamento di
Energetica Industriale
A.A. 2008/2009
COMPARAZIONE E MISURA DEL RUMORE GENERATO DA
PROFILI ALARI DI TURBINE EOLICHE
Docente:
Prof. Ing. Ficarella Antonio
studente
De Giuseppe Roberto
1
INDICE
CAPITOLO 1: Introduzione………………………………………………...……
3
1.1 descrizione del problema……………………………………………….....
3
CAPITOLO 2: Preprocessing…………………………………………………...
3
2.1 Creazione della geometria in Gambit…………………………………….
3
2.2 operazione di mesh in Gambit……………………………………………
8
CAPITOLO 3: Impostazione calcolo e risoluzione …………………………….
10
3.1 impostazione calcolo……………………………………………………..
10
3.2 risoluzione………………………………………………………………..
14
CAPITOLO 4: Postprocessing…………………………………………………..
14
4.1 Risultati Naca 63618 (corda 250 mm)…………………………………...
15
4.2 Risultati Naca 63618 (corda 500 mm)…………………………………...
19
4.3 Risultati Naca 63209 (corda 250 mm)…………………………………...
24
4.4 Risultati…………………………………………………………………..
29
2
Capitolo 1: INTRODUZIONE
Le nuove allocazioni, per siti on-shore, delle turbine eoliche è divenuto un problema serio,
principalmente per quanto riguarda il rumore prodotto.
Specialmente per favorire la crescita dell’ energia eolica in aree densamente popolate come i Paesi
Bassi e la Germania, devono essere sviluppate turbine eoliche più silenziose.
Gli sforzi spesi finora hanno visto un successo limitato e la riduzione del rumore nelle turbine
eoliche non è un compito facile.
Nel presente lavoro verranno simulate in Fluent due modelli di pala per ricavare il rumore generato.
I profili eolici utilizzati sono i seguenti:NACA 63-618 e NACA 63209.
Per tale turbina sono stati ricercati i dati relativi alla sezione su internet.
1.1 Descrizione del problema
Il problema considera la pala di una turbina eolica 2D, modello 63618, la quale è inserita in una
flusso di aria alla velocità di 85 m/s.
Il dominio di calcolo si estende 12.5c nella parte superiore della pala e nella parte inferiore, 21c
nella parte retrostante e 11.5c nella parte antistante, dove con c si indica la corda della pala.
Capitolo 2: PREPROCESSING
2.1 Creazione della geometria in Gambit.
In Gambit è stato importato il file .dat i cui punti sono precedentemente scaricati da internet.
Il file naca63618.dat è il seguente:
26 2
0
0
0
0.5
2.0953
0
0.75
2.4220
0
1.25
2.9607
0
2.5
4.0155
0
5
5.6101
0
7.5
6.8252
0
10
7.8210
0
15
9.3823
0
20
10.5238
0
3
25
11.3323
0
30
11.8534
0
35
12.0890
0
40
12.0482
0
45
11.7572
0
50
11.248
0
55
10.5505
0
60
9.6928
0
65
8.693
0
70
7.5731
0
75
6.3776
0
80
5.1205
0
85
3.8369
0
90
2.5601
0
95
1.3056
0
100
0
0
0
0
0
0.5
-0.8653
0
0.75
-1.1251
0
1.25
-1.5441
0
2.5
-2.253
0
5
-3.1902
0
7.5
-3.8586
0
10
-4.3674
0
15
-5.1137
0
20
-5.6013
0
25
-5.8854
0
30
-5.9917
0
35
-5.9107
0
40
-5.6395
0
45
-5.2003
0
50
-4.6289
0
55
-3.9589
0
60
-3.223
0
4
65
-2.4491
0
70
-1.6741
0
75
-0.9329
0
80
-0.2747
0
85
0.25
0
90
0.5753
0
95
0.6001
0
Successivamente è stato creato il volume di controllo.
Il volume di controllo è stato generato con le seguenti misure:
LABEL
A
B
C
D
E
F
G
X
c
21c
21c
21c
c
-11.5c
c
Y
12.5c
12.5c
0
-12.5c
-12.5c
0
0
Z
0
0
0
0
0
0
0
5
Si procede collegando i punti in modo opportuno per determinare la geometria.
6
Si determinano le facce e si sottrae la geometria della pala. In questo modo si è ottenuto un unico
volume di controllo.
2.2 Operazione di mesh in Gambit
Per ognuna delle tre facce che costituiscono il nostro volume di controllo si crea una opportuna
mesh
7
Come si può notare dalle figure, la mesh risulta essere molto fitta vicino il profilo alare e molto
meno via via che ci allontaniamo dal suddetto.
8
Capitolo 3: IMPOSTAZIONE CALCOLO E RISOLUZIONE
3.1 Impostazione calcolo
Dopo aver ricreato il modello in Gambit lo si esporta in Fluent.
La simulazione procede in due step:
il primo viene lanciata la simulazione settando:
•
modello
9
Si definisce inoltre anche il modello di viscosità con la quale si intende effettuare la simulazione.
In questo caso si è scelto di considerare una simulazione di tipo Large Eddy Simulation (LES)
La LES è una tecnica numerica usata per risolvere le equazioni differenziali parziali che governano
la dinamica di un flusso turbolento .
La LES è raccomandata per simulazioni aereoacustiche.
•
materiale
l’aerogeneratore è immerso in aria, quindi nel definire il materiale si deve specificare questo.
10
Dall’apposita finestra di dialogo si setta una densità di 1.225 kg/m3 ed un valore di viscosità di
1.7894e-05 kg/m-s
•
condizioni operative
si definisce un valore di pressione pari a 101325 Pa;
•
condizioni al contorno;
per quanto riguarda le condizioni al contorno si definisce quanto segue:
1. si definisce il fluido;
2. per la superficie di ingresso si definisce una velocità di ingresso di 85 m/s
11
3. per la superficie di uscita si setta una pressione relativa di uscita pari a 0 Pa.
Il secondo step prevede la definizione del modello acustico:
•
sorgente del rumore ;
dall’apposita finestra di dialogo si definisce come sorgente del rumore solo la frontiera del profilo
alare.
•
le caratteristiche fisiche del fluido alla velocità del suono.
In fluidodinamica si è dimostrato che la velocità del suono dell’aria dipende dalla temperatura
ed è di circa 343 m/s a 20°C.
A fronte di una velocità del suono di 340 m/s in condizioni normali, la velocità di oscillazione
delle particelle non raggiunge il micrometro al secondo,per le variazioni di pressione dell’ordine
dei 20 μPa, associate ai più deboli suoni percepiti, ed arriva a pochi centimetri al secondo per
variazioni di pressione dell’ordine dei 20 Pa, associate alle più foti tra le percezioni sonore vere
e proprie. Variazioni di pressione superiore a 20 Pa sono associate a velocità maggiori delle
particelle, ma non possono essere definite suoni in quanto producono sensazioni fastidiose già
intorno ai 60 Pa e causano danni uditivi immediati a valori di poco più grandi.
12
•
la posizione dei fonometri.
Si definiscono inoltre anche la posizione dei fonometri; nel nostro caso ne verranno posizionati 2 ,
uno alla distanza di 8.75 m e l’altro a 32 m.
3.2 Risoluzione
Il calcolo viene lanciato con un time step size di 5e-06 ed un numero di iterazioni pari a 4000.
13
CAPITOLO 4: POSTPROCESSING
La lettura dei risultati verrà effettuata con il postprocessing di Fluent.
Si andrà a determinare il valore di pressione sonora (Sound Pressure Level), misurato in decibel e
definito come Lp= 20 * log(
pe
) , dove il valore della pressione sonora p0 è convenzionalmente
p0
assunto 20 μPa, cioè pari al valore medio di soglia uditiva per l’ascolto in cuffia di un tono puro alla
frequenza di 1 kHz.
Inoltre si determina l’andamento della pressione letta dai ricevitori (fonometri) .
Tutte le simulazioni sono state effettuate alla velocità di 85 m/s, con un angolo di attacco di 0° e
con un numero di Mach pari a 0.25.
Per ricavare il livello sonoro sono stati inseriti dei fonometri, precisamente ne sono stati inseriti due,
uno ad una distanza di 8.75 m e l’altro ad una distanza di 32m.
4.1 Risultati Naca 63618 (corda 250mm)
Questa simulazione è stata effettuata sul modello naca 63618 con una lunghezza della corda di
250mm.
14
I due fonometri sono posizionati ad una distanza rispettivamente di 8.75 m il primo e di 32 m il
secondo.
Ciò che è stato ricavato dalla simulazione è rappresentato di seguito.
Per quanto riguarda il rumore generato da queste si misura un livello di pressione sonora di circa
110 db alla distanza di 8.75m e di quasi 100 alla distanza di 32m.
Inoltre il livello di pressione acustica misurata dal fonometro più vicino è di circa 15 Pa, mentre di
circa 6 Pa quella misurata dal secondo.
I coefficienti di Drag e di Lift, plottati in funzione del tempo, hanno l’andamento rappresentato di
seguito. Essi presentano un andamento crescente nella prima parte della simulazione con un
massimo di circa 2.5 per il coefficiente di portanza e di 0.145 per il coefficiente di resistenza.
Andamento della pressione nel modello di calcolo
15
Andamento dei vettori velocità nel modello di calcolo
drag
16
lift
Andamento della pressione sonora misurata dal ricevitore 1, posizionato a 8.75 m
17
Andamento della pressione sonora misurata dal ricevitore 2, posizionato a 32 m
Andamento del livello di pressione sonora misurata dal ricevitore 1, posizionato ad una distanza
di 8.75 m
18
Andamento del livello di pressione sonora misurata dal ricevitore 2, posizionato ad una distanza
di 32 m
4.2 Risultati Naca 63618 (corda 500 mm)
Questa simulazione è stata effettuata sul modello naca 63618 con una lunghezza di corda 500 mm.
I due fonometri sono posizionati ad una distanza rispettivamente di 8.75 m il primo e di 32 m il
secondo.
Ciò che è stato ricavato dalla simulazione è rappresentato di seguito.
Per quanto riguarda il rumore generato da questo profilo si misura un livello di pressione sonora di
circa 100 db alla distanza di 8.75 m e di appena 90 alla distanza di 32 m.
Inoltre il livello di pressione acustica misurata dal fonometro 1 oscilla tra un massimo di circa 20 Pa
ed un minimo di 7 Pa per il primo e di 8 Pa per il secondo.
19
Andamento della velocità all’interno del volume di controllo
Andamento della pressione statica all’ interno del volume di controllo
20
drag
lift
21
Andamento della pressione sonora misurata dal ricevitore 1, posizionato a 17.5 m
Andamento della pressione sonora misurata dal ricevitore 2, posizionato a 64m
22
Andamento del livello di pressione sonora misurata dal ricevitore 1, posizionato ad una distanza
di 8.75 m
Andamento del livello di pressione sonora misurata dal ricevitore 2, posizionato ad una distanza
di 32 m
23
4. 3 Risultati Naca 63209 (corda 200 mm)
Questa simulazione è stata effettuata sul modello naca 63209 con una lunghezza d’arco di 200mm.
I due fonometri sono posizionati ad una distanza rispettivamente di 8.75 m il primo e di 32 m il
secondo.
Ciò che è stato ricavato dalla simulazione è rappresentato di seguito.
La prima differenza che si nota tra i due profili alari è la differenza tra i coefficienti di lift e di drag.
Questi coefficienti sono proporzionali rispettivamente: il coefficiente di Lift alla forza risultante
nella direzione perpendicolare alla direzione della velocità e il coefficiente di Drag alla forza
risultante nella direzione della velocità.
Per quanto riguarda il rumore generato da queste si nota che il profilo meno rumoroso è quello della
Naca 63209 che misura un livello di pressione sonora di circa 95 db alla distanza di 8.75m e di
appena 80 alla distanza di 32m.
Inoltre il livello di pressione acustica misurata dal fonometro 1 oscilla tra un massimo di 6 Pa ed un
minimo di 4 Pa per il secondo e di 7.5 Pa per il primo.
Andamento della pressione statica all’ interno del volume di controllo
24
Andamento della velocità all’interno del volume di controllo
drag
25
Lift
Andamento della pressione sonora misurata dal ricevitore 1, posizionato a 8.75 m
26
Andamento della pressione sonora misurata dal ricevitore 2, posizionato a 32 m
Andamento del livello di pressione sonora misurata dal ricevitore 1, posizionato ad una distanza
di 8.75 m
27
Andamento del livello di pressione sonora misurata dal ricevitore 2, posizionato ad una distanza
di 32 m
28
4.4 Risultati
Nella presente relazione sono state effettuate tre simulazioni su due modelli di profili alari
differenti. I profili utilizzati sono Naca 63-618 con dimensione della corda di 250mm e di 500 mm,
Naca 63209 con corda di dimensioni 250mm.
Le simulazioni sono avvenute tutte con un'unica velocità del fluido (85 m/s), con un angolo di
attacco di 0° e un numero di Mach di 0.25.
Dai grafici precedenti si evince subito che il profilo meno rumoroso (Naca 63209) è anche quello
con i coefficienti di portanza minori.
Si deve anche dire che in queste condizioni (flusso di aria a 85 m/s) tutti e tre i profili alari emettono
dei rumori elevati, soprattutto per quanto riguarda il Naca 63618. ciò giustifica il non eccessivo
sviluppo che l’energia eolica ha avuto in zone densamente popolate.
C’è da dire anche che le simulazioni sono state effettuate con velocità del fluido di 340 m/s,
condizione poco veritiera per le normali condizioni di utilizzo di un profilo alare per turbina eolica.
Fonometro 1
Fonometro 2
(8.75m)
(32 m)
Naca 63618 corda 250 mm
110 db
98 db
Naca 63618 corda 500 mm
100 db
90 db
Naca 63209 corda 200 mm
105 db
95 db
Livello di pressione sonora misurata in db rilevata dai fonometri alla distanza di: 8.75m il
fonometro1 e di 32 m il fonometro 2.
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