Numerical investigation of thermal management for an airfoil profile to prevent ice formation

Abstract

In this study, we present a design alternative to prevent the icing of a wind turbine blade in the cold climate wind zones. The main objective is to create a thin film around the wing profile that can protect the surface from ice formation. In order to form this insulating layer, the leading edge, which is the region where the icing started first, the circular openings that could provide hot air to the outside of the wing, were added to geometries. By means of these openings, it has been tried to provide a solution that will prevent ice on the surface without the need to heat the entire wing. At the same time, the effect of these openings on the wing, the distance between the openings and the positions and diameters of the wings on the lifting performance of the wing were investigated. Throughout the study, the design parameters were all proportional to the chord length of the wing. In the model stage, instead of the entire wing, only one section of the wing was modeled using symmetry boundary conditions in order to use the existing limited computing power more efficiently. In this way, both the number of network elements and the calculation time can be modeled in such a way that the distance between the openings is equal to the width of the section. The results show that the lifting force, as can be expected, is small. As the width, i.e. the distance between the openings increased, the lifting force became more stable, while the film layer temperature decreased.

Bu çalışmada, bir rüzgar türbini kanadının, soğuk iklim rüzgar sahalarında buzlanmasını engelleyecek bir dizayn alternatifi sunulmuştur. Temel amaç, kanat profilinin etrafında, yüzeyi buz oluşumundan koruyabilecek ince bir film tabakası oluşturmaktır. Bu izolasyon tabakasını oluşturabilmek için buzlanmanın ilk olarak başladığı bölge olan uç bölgesine, kanadın dışına sıcak hava verebilecek dairesel açıklıklar eklenmiştir. Bu açıklıklar vasıtasıyla, kanadın tamamını ısıtmaya gerek kalmadan, sadece yüzey üzerinde buzlanmayı engelleyecek bir çözüm üretilmeye çalışılmıştır. Aynı zamanda bu açıklıkların kanat boyunca aralarındaki mesafenin, kanat üzerindeki konumlarının ve çaplarının, kanadın kaldırma performansına olan etkisi incelenmiştir. Çalışma boyunca tasarım parametrelerinin hepsi kanadın kord uzunluğuna oranlanmıştır. Model aşamasında, mevcut limitli hesaplama gücünü daha verimli kullanabilmek adına, tüm kanat yerine, kanadın sadece bir kesiti simetri sınır koşulları kullanılarak modellenmiştir. Böylelikle hem ağ elemanı sayısından ve hesaplama süresinden kara geçilirken, hem de açıklıklar arası mesafe kesit genişliğine eşit olacak şekilde modellenebilmiştir. Sonuçlara bakıldığında, kaldırma kuvvetinde, tahmin edilebileceği gibi, ufak kayıplar görülmüştür. Genişlik, yani açıklıklar arası mesafe arttıkça kaldırma kuvveti daha stabil bir hale gelirken, film tabakası sıcaklığında düşüşler gözlemlenmiştir.