Su altı akıntı türbinlerinin hidrodinamik analizi

Son yıllarda, rüzgar ve güneş enerjisi ile deniz ve gel-git akıntıları gibi yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi önceki yıllara oranla hızlı biçimde artmıştır. Bu tür enerji kaynaklarının potansiyelleri, dünyanın gelecekteki enerji talebini güvenli, temiz ve ekonomik biçimde karşılamaya yetecek kadar yüksektir. Sualtı akıntılarından istifade ederek enerji üreten sualtı akıntı türbinleri (MCT-Marine Current Turbine), okyanus ve denizlerde işletilebilecek yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. MCT'lerin teknik olarak uygulanabilir olduğu ve akıntı kaynaklarının, gelecekteki enerji talebinin karşılanmasına önemli katkı yapmaya yetecek ölçüde büyük olduğu bilinmektedir. MCT'ler düşük akım hızlarında dahi enerji üretebilme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, dip akıntı hızları rüzgara göre daha kararlı ve düzenli bir yapıya sahip olduğundan, sualtı akıntı türbinleri devamlı ve öngörülebilir enerji sağlamaktadır. Bilindiği üzere MCT'ler, çalışma prensibi ve kullandıkları mekanizma ile temelde rüzgar türbinlerine çok benzerdir. MCT'ler ve rüzgar türbinleri arasındaki önemli farklardan bir tanesi oluşması engellenemeyen bir fiziksel olay olan kavitasyondur. Kavitasyon, MCT kanatlarının önemli bir kısmında meydana geldiğinden etkilerinin hesaplamalara dahil edilmesi gereklidir. Sualtı akıntı türbini dizaynında, analizinde ve optimizasyonunda yaygın olarak kullanılan klasik momentum kanat elemanı teorisi ile, momentum teorisi ve kanat elemanı teorisine ait denklemler birlikte kullanılarak, istenilen bir türbin rotoru için optimal kanat formu belirlenebilir. MBEM teorisine ait bu denklemler temelde, kavitasyon karakteristikleri hariç sualtı akıntı türbinleri ile büyük benzerlik gösteren rüzgar türbinleri için geliştirilmiştir. Ek olarak, MCT'lerde uç hız oranları, mukavemet ve kavitasyon gereksinimleri nedeni ile rüzgar türbinlerindekilere oranla oldukça düşüktür. Momentum kanat elemanı metodu, uygulanan temel düzeltme faktörleri ile dizayn aşamasında yapılacak türbin analizleri için yeterli olmakla birlikte, analitik modeldeki eksiklikler ve sualtı akıntı türbini uygulamalarında kanatlar üzerinde meydana gelebilecek kavitasyon karakteristiklerinin hesaba katılamaması dolayısı ile önemli modifikasyonlara ihtiyaç duymaktadır. Diğer yandan, kesit kaldırma kuvveti ve kavitasyon direnci katsayılarının kanat yarıçapları boyunca hesaplanabilmesi gereklidir. Türbin kanatları etrafındakı akımın analizi için panel metodu olarak da bilinen sınır eleman metodu da kullanılmıştır. Potansiyel akım teorisini temel alan bu yöntem, kesitler etrafındaki basınç dağılımları hakkında bilgi sağlayarak kanat kavitasyon performansının öngörülebilmesine imkan sağlamaktadır. Bu yöntemler, doktora tez çalışması çerçevesinde MCT'lere uygulanmış ve MCT'lerin hidrodinamik performansları incelenmiştir. Ayrıca, kavitasyonun türbin kanatları üzerindeki dağılımının simülasyonu için, pervane performansının analizinde yaygın olarak kullanılan bir sayısal yöntem olan girdap ağ metodu kullanılmıştır. Metot, düzensiz tabaka kavitasyonlu akımların incelenebilmesi için geliştirilmiş ve hassas sonuçlar elde edilebilmesi için, tekillik ve kontrol noktolarının aralıkları hata oluşumunu engelleyecek biçimde düzenlenmiştir Newcastle Universitesi Emerson Kavitasyon Tüneli'nde, üç kanatlı yatay eksenli bir model türbin kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde itme ve tork değerleri ölçülmüş; ayrıca türbinin iki farklı şaft derinliğinde kavitasyon davranışları incelenmiştir. Zira, sualtı akıntı türbini dizayn ve optimizasyonunda hidrodinamik performansın belirlenebilmesi için gerçekleştirilen sayısal öngörülerin deneysel olarak doğrulanması büyük önem teşkil etmektedir. Kavitasyon tünelinde yapılan deneyler ile kavitasyon formları ve türbin kanatları üzerindeki dağılımı incelenmiş, türbinin önemli ölçüde tabaka ve bulut kavitasyona ek olarak kanat uçlarında girdap kavitasyon maruz kaldığı gözlemlenmiştir. İki farklı deney koşulu için türbin kanatları üzerindeki kavitasyon dağılımı girdap ağ metodu kullanılarak modellenmiş, sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Momentum kanat elemanı metodu öncelikle kavitasyonsuz çalışma koşullarının analizi için literatürde deneysel ölçümleri mevcut olan bir rüzgar türbinine ve kavitasyonsuz çalışma koşulu için sayısal olarak modellenmiş bir sualtı akıntı türbinine uygulanmış ve sonuçlar mukayese edilmiştir. Sayısal olarak modellenen türbinin kanatları üzerinde ideal teorik bir kavitasyon dağılımı için belirli bir uç hız oranı aralığında güç katsayıları hesaplanmış ve kavitasyonsuz durumdakilerle kıyaslanmıştır. Kavitasyona maruz bir sualtı akıntı türbininin performans analizi için, literatürde bulunan diğer bir çalışmadan faydalanılmış, türbinin kavitasyon dağılımı girdap ağ metodu kullanılarak simüle edilmiştir. Kavitasyon yapan kanat kesitlerinin kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri sınır eleman metodu ile hesaplanarak momentum kanat elemanı metodunda kullanılmış, böylelikle kavitasyonun türbin güç üretme performansına etkisi teorik olarak hesaplanmıştır. Kavitasyon dağılımının matematiksel olarak belirlenebilmesi, kavitasyona maruz kanat kesitlerinin kaldırma ve direnç katsayılarının daha doğru öngörülebilmesini, böylelikle momentum kanat elemanı teorisinin kavitasyon yapan bir sualtı akıntı türbininin performansını hesaplama kapasitesinin artmasını sağlamıştır. Bu çalışmada sunulan yöntem kullanılarak üç kanatlı bir türbin modeli için yapılan analizde elde edilen güçte %30 teorik azalma öngörülmüştür.