Wind Turbine Aerodynamics and Vorticity-Based Methods: Fundamentals and Recent Applications

این کتاب به معرفی مبانی مکانیک سیالات، نظریه‌های تکانه، نظریه‌های گرداب و روش‌های گردابی ضروری برای مطالعه آیرودینامیک روتورها و به‌ویژه آیرودینامیک توربین‌های بادی می‌پردازد. تئوری های روتور در سطح بالایی از جزئیات در ابتدای کتاب ارائه شده است. این نظریه ها عبارتند از: نظریه عنصر تیغه، نظریه کوتا-جوکوفسکی، نظریه تکانه و روش تکانه عنصر تیغه. بخشی از کتاب به شرح و اجرای روش های گردابی اختصاص دارد. بقیه کتاب بر مطالعه آیرودینامیک توربین بادی با استفاده از تحلیل‌های نظریه گرداب یا روش‌های گردابی تمرکز دارد. نمونه هایی از کاربردهای تئوری گرداب عبارتند از: طراحی روتور بهینه، اصلاحات نوک تلفات، مدل های انحرافی و مدل های جریان دینامیکی. مشتقات تاریخی و توسعه‌های اخیر مدل‌ها ارائه شده‌اند. مدل گرداب استوانه ای نمونه دیگری از مدل گرداب تحلیلی ساده است که در این کتاب ارائه شده است. این مدل منجر به توسعه مدل‌های مختلف BEM می‌شود و همچنین برای ارائه میدان سرعت تحلیلی در بالادست توربین یا مزرعه بادی در شرایط تراز یا منحرف استفاده می‌شود. کاربردهای مختلف روش های گرداب عددی ارائه شده است. روش های عددی به عنوان مثال برای بررسی تاثیر توربین بادی بر تلاطم ورودی استفاده می شود. جریان های برشی شده و شبیه سازی های هواالاستیک با استفاده از روش گردابی برای اولین بار بررسی می شوند. بسیاری از جریان‌های تحلیلی با جزئیات مشتق شده‌اند: حلقه‌های گرداب، استوانه‌های گرداب، گرداب هیل، حباب‌های گردابی و غیره. آنها در سراسر کتاب برای ابداع مدل‌های روتور ساده یا اعتبارسنجی اجرای روش‌های عددی استفاده می‌شوند. چندین برنامه Matlab برای تسهیل برخی از پیچیده ترین پیاده سازی ها ارائه شده است.

The book introduces the fundamentals of fluid-mechanics, momentum theories, vortex theories and vortex methods necessary for the study of rotors aerodynamics and wind-turbines aerodynamics in particular. Rotor theories are presented in a great level of details at the beginning of the book. These theories include: the blade element theory, the Kutta-Joukowski theory, the momentum theory and the blade element momentum method. A part of the book is dedicated to the description and implementation of vortex methods. The remaining of the book focuses on the study of wind turbine aerodynamics using vortex-theory analyses or vortex-methods. Examples of vortex-theory applications are: optimal rotor design, tip-loss corrections, yaw-models and dynamic inflow models. Historical derivations and recent extensions of the models are presented. The cylindrical vortex model is another example of a simple analytical vortex model presented in this book. This model leads to the development of different BEM models and it is also used to provide the analytical velocity field upstream of a turbine or a wind farm under aligned or yawed conditions. Different applications of numerical vortex methods are presented. Numerical methods are used for instance to investigate the influence of a wind turbine on the incoming turbulence. Sheared inflows and aero-elastic simulations are investigated using vortex methods for the first time. Many analytical flows are derived in details: vortex rings, vortex cylinders, Hill's vortex, vortex blobs etc. They are used throughout the book to devise simple rotor models or to validate the implementation of numerical methods. Several Matlab programs are provided to ease some of the most complex implementations.