Dikey eksenli su türbinlerinde art izi bölgesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Dikey eksenli su türbinleri genellikle akıntı enerjisinden elektrik üretmek için kullanılmaktadırlar. Bu türbinlerin en yaygın kullanılanlarından olan Darrieus tipi türbinler, uzun yıllardır rüzgar enerjisinden elektrik üretmek için kullanılırken son yıllarda su akıntı türbini olarak kullanımları da gittikçe artmaktadır. Suyun yoğunluğu, havanınkine kıyasla çok yüksek olduğundan, birim alandan elde edilen su akışının enerjisi de havaya kıyasla çok daha yüksektir. Bundan dolayı daha fazla güç elde etme potansiyeline sahiptir. Darrieus türbinleri, özellikle kanal içi akışlarda konstrüksiyon kolaylıkları ve basit tasarımları nedeniyle hidrokinetik türbin olarak kullanılabilecek en iyi seçeneklerden biridir. Tez kapsamında, deneysel ve HAD yönteminin kullanıldığı araştırmalar, farklı kalınlıktaki; NACA 0012, NACA 0018 ve NACA 0024 ve farklı kamburluktaki NACA 2418 ve NACA 4418 kanat profillerinin kullanıldığı üç kanatlı H-tipi Darrieus türbininin hidrodinamik performansını incelemek için gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, literatürde NACA 0018 kanat profilinin kullanıldığı H-tipi Darrieus hidrokinetik türbininin deneysel performans sonuçları kullanılarak HAD yöntemi ile 2-D ve 3-D analizler SST k-ω türbülans modeli kullanılarak doğrulanmıştır. Doğrulanan 2-D HAD yöntemi ile farklı kalınlık ve kamburluktaki kanat profili konfigürasyonları için performans ve art izi bölgesindeki akış yapıları karşılaştırılmıştır. Uç hız oranının λ=0.9-1.4 aralığında yapılan 2-D analizlerde maksimum güç katsayısı λ=1.2 uç hız oranında NACA 4418 kanat profilinin kullanıldığı türbin konfigürasyonundan elde edilmiştir. Her bir türbin için maksimum güç katsayısının elde edildiği çalışma noktasında, türbinlerin art izi bölgesindeki akış yapıları karşılaştırıldığında ise NACA 4418 kanat profilinin kullanıldığı türbinde hız geri kazanımının en erken olduğu belirlenmiştir. Hidrokinetik türbin çiftliği uygulamasında birim alandan transfer edilen enerji miktarını arttırmak için hem performansın hem de art izi bölgesinde hız geri kazanımının hızlı olması gerekmektedir. Bu kapsamda 2-D analiz sonuçlarına bağlı olarak NACA 4418 kanat profilinin kullanıldığı türbinin prototip imalatı yapılarak mevcut deney düzeneğine uyarlanmıştır. NACA 4418 profilinin kullanıldığı türbin λ=0.5-1.4 uç hız oranı aralığında 3-D LES türbülans modeli kullanılarak analiz edilmiş ve açık su kanalı içerisinde performans deneyleri tork ölçümü ile yapılmıştır. Serbest akış hızının 0.3m/s olduğu sistemde hem deneysel hem de LES sonuçlarında NACA 4418 profili için maksimum güç katsayısı λ=1.0 uç hız oranında elde edilmiştir. Maksimum güç katsayısının elde edildiği uç hız oranı λ=1.0'da art izi bölgesindeki akış yapısı Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçüm (PIV) yöntemi kullanılarak taranmış ve LES türbülans modelinden elde edilen ortalama hız bileşenleri, girdap ve türbülans kinetik enerji sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Art izi bölgesindeki akış yapısı incelenen türbinin alt akış yönüne aynı geometrik özelliklerde bir türbin daha yerleştirilerek, iki türbin arasındaki mesafenin, uç hız oranının ve iki türbinin birbirine göre eş/zıt dönüş yönünün ikinci türbinin performansı üzerine etkisi deneysel tork ölçümü ve LES türbülans modelinin kullanıldığı analizlerle incelenmiştir. Elde edilen sonuçlarda iki türbin arasındaki mesafe arttıkça ikinci türbinin performansı artmıştır. İkinci türbin için maksimum güç katsayısı genel olarak uç hız oranının λ=1.0-1.1 aralığında elde edilmiştir. Birinci türbinin art izi bölgesindeki asimetrik akış yapısına bağlı olarak, türbinlerin birbirine göre zıt yönde dönmesi durumunda elde edilen güç katsayısı, eş yönlü dönüşte elde edilen güç katsayısına göre daha yüksek çıkmıştır. Hem deneysel hem de LES sonuçlarında, alt akış bölgesindeki ikinci türbin x/D=11 konumunda iken, eş yönlü dönüşte üst akış bölgesindeki birinci türbininin performansının yaklaşık % 72'sine ulaşırken, bu değer zıt yönlü dönüşte % 78 civarında elde edilmiştir.