DOI: https://doi.org/10.47176/jafm.19.3.3871
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: A. Bouhelal وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات الهوائية وتأثيراتها
نظرة عامة
تستخدم هذه الدراسة نموذج حسابي ثلاثي الأبعاد من نوع أويلر-لاجرانج لتقييم تأثير جزيئات الرمل المحمولة بالرياح على الأداء الديناميكي الهوائي لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي في البيئات الصحراوية، وتحديداً في أدرار، الجزائر. باستخدام معادلات نافير-ستوكس للطور السائل ونهج لاجرانج للجزيئات الرملية المشتتة، تحاكي الدراسة أحجام جزيئات مختلفة (100 إلى 500 ميكرومتر) وتركيزات (0.3 إلى 3 كجم/م³). تكشف النتائج أن جزيئات الرمل تؤدي بشكل كبير إلى تدهور كفاءة التوربين، مع خسائر في الأداء تتراوح من حوالي 2.8% للجزيئات الدقيقة عند التركيزات المنخفضة إلى 20% للجزيئات الأكبر عند التركيزات العالية. يُعزى التدهور إلى اضطراب تدفق الهواء وانخفاض الضغط، خاصة عند الحافة الأمامية للشفرات، حيث تتعرض منطقة الطرف لأشد التأثيرات بسبب السرعات الأعلى والاضطراب.
تسلط الدراسة الضوء على ضرورة أخذ كل من حجم الجزيئات وتركيزها في الاعتبار عند تصميم توربينات الرياح للمناطق الجافة. كما تؤكد على قيود التحليلات السابقة ثنائية الأبعاد، داعيةً لاستخدام المحاكاة ثلاثية الأبعاد لالتقاط التفاعلات المعقدة بين جزيئات الرمل وتدفق الهواء. تشير النتائج إلى أن حتى التركيزات المنخفضة من الرمل يمكن أن تؤدي إلى خسائر كبيرة في الطاقة الميكانيكية، مما يبرز أهمية معالجة التدهور الناتج عن الرمل من خلال الأبحاث المستقبلية التي تركز على المواد المتقدمة وأنظمة التنظيف. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعزز دمج البيانات البيئية الحقيقية من أدرار في النماذج المستقبلية دقة وملاءمة النتائج لتطبيقات التوربينات الصحراوية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الانتشار المتزايد لتوربينات الرياح في المناطق الجافة، مع التأكيد على الإمكانات الكبيرة لطاقة الرياح ولكن أيضًا التحدي غير المستكشف بشكل كافٍ المتمثل في تأثير الرمل المحمول بالرياح على كفاءة التوربينات ودوامها. أظهرت الدراسات السابقة أن تراكم الرمل على شفرات التوربين يؤدي إلى زيادة خشونة السطح، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في الطاقة بسبب زيادة السحب وتقليل الرفع. على سبيل المثال، وجدت أبحاث خالف الله وكوليوب (2007) أن الغبار على الشفرات يمكن أن يتسبب في تقليل إنتاج الطاقة بنسبة تصل إلى 50% بعد تعرض طويل، بينما أظهرت دراسة لي وآخرون (2021) أن الأداء الديناميكي الهوائي يتدهور مع زيادة تركيز وحجم جزيئات الرمل.
تكشف الأدبيات عن فجوة في النماذج الحسابية الشاملة التي تحاكي بدقة التفاعلات المعقدة بين الرياح وجزيئات الرمل، خاصة في البيئات الصحراوية. تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال استخدام نموذج حسابي ثلاثي الأبعاد من نوع أويلر-لاجرانج لتقييم تأثيرات تركيزات الرمل المتغيرة وأحجام الجزيئات على الأداء الديناميكي الهوائي لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي في المنطقة الجافة من أدرار، الجزائر. ستقوم الدراسة بت quantifying التدهور في الكفاءة الديناميكية الهوائية، مما يساهم في تصميم وتحسين توربينات الرياح للعمل في ظروف رملية قاسية. تم هيكلة الورقة في خمسة أقسام، توضح منطقة دراسة الحالة، والنماذج الرياضية، والأساليب العددية، وعمليات التحقق، والنتائج.
الطرق
في الدراسة، تم توضيح طريقتين رئيسيتين لحقن الجزيئات في المجال الحسابي: الحقن الفردي وحقن المجموعة. تتضمن طريقة الحقن الفردي إطلاق الجزيئات من نقطة ثابتة واحدة، مما يؤدي إلى تدفق مستمر من الجزيئات. بالمقابل، تسمح طريقة حقن المجموعة بإدخال الجزيئات في وقت واحد من نقاط متعددة تتماشى على طول خط معين، كما هو موضح في الشكل 8(أ). توفر هذه الطرق مرونة في محاكاة ديناميات الجزيئات ضمن الإطار الحسابي.
النتائج
في هذه الدراسة، تم حساب متوسط نسبة الحجم ($\bar{\alpha}_s$) ومتوسط تركيز الكتلة ($\bar{c}$) لجزيئات الرمل داخل مجال حسابي لتقييم تأثيرها على الأداء الديناميكي الهوائي لتوربينات الرياح. تم تحديد متوسط نسبة الحجم باستخدام المعادلة:
\[
\bar{\alpha}_s = \frac{\sum_{i=1}^{N_{cell}} \alpha_{s,i} V_i}{V_{tot}}
\]
وتم حساب متوسط تركيز الكتلة كالتالي:
\[
\bar{c} = \frac{\sum_{i=1}^{N_{cell}} c_i V_i}{V_{tot}}
\]
حيث تمثل $V_i$ و$c_i$ و$\alpha_{s,i}$ حجم الخلية وتركيز الجزيئات ونسبة الحجم في الخلية $i$، على التوالي، و$V_{tot}$ هو الحجم الكلي للمجال الحسابي.
تم إجراء التحليل عبر خمسة سيناريوهات مختلفة، مما أسفر عن متوسط نسب حجم قدرها $\bar{\alpha}_s = [0.0001, -0.0004, -0.0009, -0.0013, -0.0015]$ ومتوسط تركيزات كتلة قدرها $\bar{c} = [0.3152, -0.9455, -1.8910, -2.8365, -3.1517] \, (كجم/م^3)$. تشير النتائج إلى زيادة تدريجية في كل من متوسط نسبة الحجم وتركيز الكتلة مع ارتفاع تركيز جزيئات الرمل، مما يبرز التأثير الكبير لتوزيع الجزيئات على الكفاءة الديناميكية الهوائية لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي، خاصة في البيئات الصحراوية حيث تتوفر جزيئات الرمل بكثرة. تشير النتائج إلى أن زيادة تركيز الرمل تؤدي إلى زيادة السحب وتدهور الديناميكا الهوائية، وهو ما سيتم توضيحه في الأقسام التالية.
المناقشة
تركز قسم المناقشة من ورقة البحث على منطقة أدرار في جنوب غرب الجزائر، التي تقدم إمكانات كبيرة لطاقة الرياح ولكن أيضًا تحديات بسبب الرياح المحملة بالرمل المتكررة التي يمكن أن تسبب تآكل شفرات التوربين وتدهور الديناميكا الهوائية. تستخدم الدراسة نموذج توربين الرياح MEXICO لتحليل تأثير الرمل على الكفاءة الديناميكية الهوائية، باستخدام إطار رياضي شامل يتضمن كل من النهجين الأويلري واللاجرانجي لمحاكاة التفاعل بين الهواء وجزيئات الرمل. تم وضع المعادلات الحاكمة لكل من الطورين، حيث تم نمذجة الطور الهوائي باستخدام نموذج الاضطراب الكثافة المتوسطة k-kl-ω لمعادلات نافير-ستوكس، بينما تم التعامل مع جزيئات الرمل كطور منفصل باستخدام نموذج الطور المنفصل (DPM).
تشمل الأساليب العددية المستخدمة في المحاكاة تقنيات تكامل مختلفة لحركة الجزيئات، حيث تم اختيار طريقة رونج-كوتا لفعاليتها ودقتها. تقدم الدراسة أيضًا آلية اقتران ثنائية الاتجاه لأخذ تأثير جزيئات الرمل على الطور الهوائي المستمر في الاعتبار، مما يعزز واقعية النموذج. يتم دعم التحقق من نموذج الديناميكا الهوائية الحسابية (CFD) من خلال مقارنات مع بيانات تجريبية، مما يظهر توافقًا جيدًا في التنبؤ بالأداء الديناميكي الهوائي تحت ظروف نظيفة ويؤسس أساسًا للتحقيقات المستقبلية في تأثيرات الرمل على تشغيل توربينات الرياح. تؤكد النتائج على ضرورة معالجة التحديات المتعلقة بالدوام التي تطرحها الرمال في تطبيقات طاقة الرياح، خاصة في البيئات الصحراوية.
DOI: https://doi.org/10.47176/jafm.19.3.3871
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): A. Bouhelal et al.
Primary Topic: Aeolian processes and effects
Overview
This study employs a 3D Eulerian-Lagrangian computational model to assess the impact of windblown sand particles on the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbines in desert environments, specifically in Adrar, Algeria. Utilizing the Navier-Stokes equations for the fluid phase and a Lagrangian approach for the dispersed sand particles, the research simulates various particle sizes (100 to 500 µm) and concentrations (0.3 to 3 kg/m³). The findings reveal that sand particles significantly degrade turbine efficiency, with performance losses ranging from approximately 2.8% for fine particles at low concentrations to 20% for larger particles at higher concentrations. The degradation is attributed to airflow disruption and pressure reduction, particularly at the leading edge of the blades, with the tip region experiencing the most severe impacts due to higher velocities and turbulence.
The study highlights the necessity of considering both particle size and concentration in wind turbine design for arid regions. It also emphasizes the limitations of previous 2D analyses, advocating for the use of 3D simulations to capture the complex interactions between sand particles and airflow. The results indicate that even low concentrations of sand can lead to significant mechanical power losses, underscoring the importance of addressing sand-induced degradation through future research focused on advanced materials and cleaning systems. Additionally, integrating real environmental data from Adrar into future models could enhance the accuracy and relevance of the findings for desert turbine applications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing deployment of wind turbines in arid regions, emphasizing the significant wind energy potential but also the underexplored challenge of windblown sand impacting turbine efficiency and durability. Previous studies have demonstrated that sand accumulation on turbine blades leads to increased surface roughness, resulting in substantial power losses due to higher drag and reduced lift. For instance, research by Khalfallah & Koliub (2007) found that dust on blades could cause up to a 50% reduction in power output after prolonged exposure, while Li et al. (2021) showed that aerodynamic performance deteriorates with increasing sand particle concentration and size.
The literature reveals a gap in comprehensive computational models that accurately simulate the complex interactions between wind and sand particles, particularly in desert environments. This study aims to address this gap by employing a 3D Eulerian-Lagrangian computational model to assess the effects of varying sand concentrations and particle sizes on the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbines in the arid region of Adrar, Algeria. The research will quantify the degradation in aerodynamic efficiency, thereby contributing to the design and optimization of wind turbines for operation in harsh sandy conditions. The paper is structured into five sections, detailing the case study region, mathematical models, numerical methods, validation processes, and results.
Methods
In the study, two primary methods for particle injection into the computational domain are outlined: single injection and group injection. The single injection method involves releasing particles from a single, fixed point, resulting in a continuous stream of particles. In contrast, the group injection method allows for the simultaneous introduction of particles from multiple points that are aligned along a designated line, as illustrated in Figure 8(a). These methods provide flexibility in simulating particle dynamics within the computational framework.
Results
In this study, the mean volume fraction ($\bar{\alpha}_s$) and mean mass concentration ($\bar{c}$) of sand particles within a computational domain were calculated to assess their impact on the aerodynamic performance of wind turbines. The mean volume fraction was determined using the equation:
\[
\bar{\alpha}_s = \frac{\sum_{i=1}^{N_{cell}} \alpha_{s,i} V_i}{V_{tot}}
\]
and the mean mass concentration was calculated as:
\[
\bar{c} = \frac{\sum_{i=1}^{N_{cell}} c_i V_i}{V_{tot}}
\]
where $V_i$, $c_i$, and $\alpha_{s,i}$ represent the cell volume, particle concentration, and volume fraction in the $i$-th cell, respectively, and $V_{tot}$ is the total volume of the computational domain.
The analysis was conducted across five different scenarios, yielding mean volume fractions of $\bar{\alpha}_s = [0.0001, -0.0004, -0.0009, -0.0013, -0.0015]$ and mean mass concentrations of $\bar{c} = [0.3152, -0.9455, -1.8910, -2.8365, -3.1517] \, (kg/m^3)$. The results indicate a progressive increase in both the mean volume fraction and mass concentration with rising sand particle concentration, highlighting the significant influence of particle distribution on the aerodynamic efficiency of horizontal axis wind turbines, particularly in desert environments where sand particles are abundant. The findings suggest that increased sand concentration leads to greater drag and aerodynamic degradation, which will be elaborated upon in subsequent sections.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the Adrar region in southwestern Algeria, which presents significant wind energy potential but also challenges due to frequent sand-laden winds that can cause turbine blade erosion and aerodynamic degradation. The study employs the MEXICO wind turbine model to analyze the impact of sand on aerodynamic efficiency, utilizing a comprehensive mathematical framework that includes both Eulerian and Lagrangian approaches to simulate the interaction between air and sand particles. The governing equations for both phases are established, with the air phase modeled using the transitional k-kl-ω Reynolds-averaged Navier-Stokes turbulence model, while the sand particles are treated as a discrete phase using the Discrete Phase Model (DPM).
The numerical methods employed for the simulations include various integration techniques for particle motion, with the Runge-Kutta method chosen for its efficiency and accuracy. The study also introduces a two-way coupling mechanism to account for the influence of sand particles on the continuous air phase, enhancing the model’s realism. The validation of the computational fluid dynamics (CFD) model is supported by comparisons with experimental data, demonstrating good agreement in predicting aerodynamic performance under clean conditions and establishing a foundation for future investigations into the effects of sand on wind turbine operation. The findings underscore the necessity of addressing the durability challenges posed by sand in wind energy applications, particularly in desert environments.