Investigation of lift and drag coefficient of air-foil application in wind turbine electricity generation by computational fluid dynamics

Abstract

This research presents a comparison of the aerodynamic performance of the NACA 2412, NACA 4412, and NACA 6412 airfoils for wind turbine blade design in electricity generation. The analysis was conducted using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, with all three airfoils tested under the same boundary conditions and mesh setup. The test angles of attack were 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, and 10° at wind speeds of 3, 5, and 8 m/s, using the Realizable k-ε turbulence model in Ansys Fluent Version 2020R1. The analysis evaluated the Lift Coefficient (CL), Drag Coefficient (CD), and Lift-to-Drag Ratio (CL/CD), as well as the electrical power generated, which was calculated based on the lift coefficient, wind speed, and the swept area of the wind turbine. The results showed that the NACA 4412 airfoil exhibited the best performance in terms of maximizing lift and minimizing drag at multiple angles of attack. It demonstrated a superior CL/CD ratio compared to the NACA 2412 and NACA 6412 airfoils. Furthermore, when calculating the electrical power generated using the lift coefficient at a wind speed of 3 m/s, the NACA 4412 was able to produce up to 6.5 MW of power. A comparison of the three airfoils revealed that the NACA 4412 is the most suitable for designing wind turbine blades for low wind speeds due to its ability to generate better lift and reduce drag more effectively than the other airfoils at low wind speeds.

งานวิจัยนี้ได้นำเสนอการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของแพนอากาศ NACA 2412, NACA 4412, และ NACA 6412 สำหรับการออกแบบปีกกังหันลมในการผลิตกำลังไฟฟ้า โดยการวิเคราะห์ทางอากาศพลศาสตร์ผ่านการใช้แบบจำลอง CFD (Computational Fluid Dynamics) โดยทดสอบในขอบเขตและเมชเดียวกัน ซึ่งมีมุมปะทะที่ 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, และ 10° ที่ความเร็วลม 3, 5 และ 8 m/s โดยใช้สมการ Realizable k-ε ในโปรแกรม Ansys Fluent Version 2020R1 การทดสอบนี้ได้วิเคราะห์สัมประสิทธิ์แรงยก (CL), สัมประสิทธิ์แรงต้าน (CD), และอัตราส่วนระหว่างสัมประสิทธิ์แรงยกและแรงต้าน (CL/CD) รวมทั้งคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าที่สามารถผลิตได้จากค่าสัมประสิทธิ์แรงยก ความเร็วลม และพื้นที่กวาดของกังหันลม ผลการทดสอบพบว่าแพนอากาศ NACA 4412 มีประสิทธิภาพสูงที่สุดในการเพิ่มสัมประสิทธิ์แรงยกและลดแรงต้านในมุมปะทะหลายๆ มุม โดยมีอัตราส่วน CL/CD ที่ดีกว่า NACA 2412 และ NACA 6412 และเมื่อคำนวณกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากค่าสัมประสิทธิ์แรงยกในความเร็วลม 3 m/s พบว่า NACA 4412 สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้ถึง 6.5 เมกะวัตต์ จากการเปรียบเทียบทั้งสามรูปทรงของแพนอากาศ พบว่า NACA 4412 เหมาะสมที่สุดสำหรับการออกแบบใบพัดกังหันลมที่ความเร็วลมต่ำ เนื่องจากสามารถสร้างแรงยกและลดแรงต้านได้ดีกว่าแพนอากาศรูปทรงอื่นๆ ที่ความเร็วลมต่ำ