จุลสารนวัตกรรม ฉบับที่ 81 – นวัตกรรมจากสถาบัน : เรื่อง การจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) สำหรับกังหันลมแกนตั้ง

        การศึกษานี้มุ่งเน้นการวิเคราะห์สมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของกังหันลมแกนตั้ง (VAWTs) โดยใช้การจำลองเชิงพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) ร่วมกับ เทคนิค transient dynamic mesh เพื่อจับพฤติกรรมของกระแสหมุนวนด้านข้าง (lateral vortices) และตัวเลขสโตรฮาล (Strouhal number) ที่มีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพการผลิตพลังงาน แต่ยังไม่ค่อยมีการศึกษาเชิงลึกมาก่อน วิธีวิจัย คือการใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS Fluent ทำการจำลองสามมิติของกังหันลม 3 แบบ ได้แก่ 1. กังหันซาโวนิอุสแบบ 2 ใบพัด 2.กังหันซาโวนิอุสแบบเกลียว (Helical) และ 3.กังหันเกลียวที่ติด end plate 

        รูปที่ 1 ภาพนี้เป็น การตั้งค่าพื้นที่จำลอง (Simulation domain) สำหรับการวิเคราะห์การไหลของอากาศรอบกังหันลมด้วยโปรแกรม ANSYS Fluent โดยใช้วิธีการ Computational Fluid Dynamics (CFD) โดยกำหนดขอบเขตการไหลด้านซ้ายเป็น Inlet ซึ่งอากาศไหลเข้าสู่พื้นที่ด้วยความเร็วที่กำหนด และด้านขวาเป็น Outlet เพื่อให้อากาศไหลออกจากโดเมนอย่างอิสระ พื้นที่จำลองมีความยาวรวม 16 เมตร โดยเว้นระยะจากจุด Inlet ถึงกังหัน 4 เมตร (ประมาณ 8 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางกังหัน) และจากกังหันถึง Outlet อีก 12 เมตร (24D) เพื่อให้การไหลพัฒนาเต็มที่และสามารถสังเกตการเกิด wake หรือกระแสปั่นป่วนด้านหลังได้อย่างชัดเจน นอกจากนี้ยังเว้นความกว้างและความสูงของโดเมน 2.5 เมตร (5D) เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากผนังขอบเขต การตั้งค่าลักษณะนี้ช่วยให้การจำลอง CFD มีความถูกต้องและสะท้อนพฤติกรรมการไหลรอบกังหันได้ใกล้เคียงความเป็นจริงมากที่สุด

        รูปที่ 2 ผลการจำลองการไหลของอากาศ (CFD Simulation) รอบกังหันลมแกนตั้งแบบ Savonius โดยใช้โปรแกรม ANSYS Fluent ซึ่งนำเสนอทั้ง การกระจายความเร็ว (Velocity vectors) และ ค่าประสิทธิภาพการผลิตพลังงาน (Coefficient of Performance: CoP) ภาพด้านบนและด้านล่าง (a) และ (b) แสดงทิศทางการไหลของอากาศในช่วงที่กังหันสร้างแรงบิดสูงสุด (25.830 วินาที) และแรงบิดต่ำสุด (26.090 วินาที) ที่ความเร็วลมขาเข้า 11 m/s จะเห็นได้ว่ามีการเกิดกระแสหมุนวน (vortex) ขนาดใหญ่ด้านหลังใบพัด ส่งผลต่อการแปรผันของแรงบิดและสมรรถนะการผลิตพลังงาน ขณะที่กราฟด้านล่าง (Fig. 9) เปรียบเทียบค่า CoP ของกังหันแบบ 2 ใบพัดและแบบเกลียวในช่วงเวลา 0–30 วินาที พบว่ากังหันแบบ 2 ใบพัดมีค่า CoP ที่คงที่และสูงกว่า ขณะที่กังหันเกลียวมีการแกว่งตัวมากกว่า แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างเชิงพลศาสตร์การไหลและประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของกังหันแต่ละประเภท

        การจำลองพิจารณาความเร็วลมขาเข้าช่วง 5–14 m/s โดยใช้แบบจำลองความปั่นป่วน k-ω SST และ dynamic mesh เพื่อเก็บรายละเอียดการหมุนเวียนของกระแสอากาศและแรงยก-แรงต้านรอบใบพัด
        ผลการศึกษา ผลการวิจัยพบว่า กังหันลมแบบ 2 ใบพัดมีประสิทธิภาพสูงสุด สร้างแรงบิดได้ถึง 5.5 Nm และมีความเร็วปลายใบ 19.1 m/s ที่ความเร็วลม 11 m/s ซึ่งดีกว่ากังหันเกลียวที่ได้เพียง 2.5 Nm และ 13.3 m/s การติดตั้ง end plate บนกังหันเกลียวช่วยเพิ่มแรงบิดได้อีก 24.1% แสดงถึงความสำคัญของการปรับโครงสร้างใบพัด ส่วนค่า Strouhal number อยู่ที่ 0.05–0.130 สำหรับกังหัน 2 ใบพัด และ 0.040–0.070 สำหรับกังหันเกลียว โดยลดลงเหลือ 0.028–0.052 เมื่อมี end plate ช่วยควบคุมกระแสหมุนวนและเพิ่มเสถียรภาพ
        โดยสรุป การใช้ CFD กับ Transient dynamic mesh เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์การไหลรอบกังหัน VAWT และเป็นแนวทางสำคัญในการออกแบบกังหันรุ่นใหม่ที่ใช้พลังงานลมได้ดียิ่งขึ้น เหมาะกับการประยุกต์ในพื้นที่เมืองและชายฝั่ง เพื่อเพิ่มศักยภาพด้านพลังงานหมุนเวียนในอนาคต
        การประยุกต์ใช้ในการศึกษา: การบูรณาการ CFD และงานวิจัย VAWT ในสถาบันนวัตกรรมเรียนรู้ (IL) งานวิจัยนี้เป็นแพลตฟอร์มที่หลากหลายสำหรับการยกระดับการเรียนรู้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในหลักสูตรที่เน้น “เทคโนโลยีเกิดใหม่สำหรับการเรียนรู้” เช่น วิชา ILSE617 Emerging Technology for Learning สอนเกี่ยวกับ Simulation ที่สถาบันนวัตกรรมการเรียนรู้ โดยแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า Computational Fluid Dynamics (CFD) เป็นเครื่องมือการจำลองที่ทรงพลัง นักศึกษาในหลักสูตร ILSE617 สามารถทำความเข้าใจเชิงปฏิบัติได้ว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน (เช่น สมการต่อเนื่อง, โมเมนตัม, และความปั่นป่วน) ถูกแปลงเป็นข้อมูลภาพและเชิงปริมาณเพื่อแก้ไขปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างไร ซึ่งตอบสนองโดยตรงต่อแง่มุมของ “การจำลอง” ที่มีความสำคัญมากกว่าการสอนเชิงทฤษฎีทั่วไป
        การเชื่อมโยงกับเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (SDGs) งานวิจัยนี้มีส่วนช่วยโดยตรงต่อเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืนหลายประการของสหประชาชาติ (SDGs) ซึ่งตอกย้ำถึงผลกระทบในวงกว้างต่อสังคม และเป็นจุดเน้นในการขับเคลื่อนงานในปัจจุบัน:

• SDG 7 พลังงานสะอาดที่เข้าถึงได้และราคาไม่แพง: ด้วยการปรับปรุงการออกแบบและประสิทธิภาพของ VAWTs การศึกษานี้สนับสนุนโดยตรงเป้าหมายในการ เพิ่มสัดส่วนพลังงานหมุนเวียน
• SDG 9 อุตสาหกรรม นวัตกรรม และโครงสร้างพื้นฐาน: การใช้ แบบจำลอง CFD ขั้นสูงสำหรับการปรับประสิทธิภาพการออกแบบ และการพัฒนากังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แสดงถึง นวัตกรรมในกระบวนการอุตสาหกรรมและการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐาน
• SDG 11 เมืองและชุมชนที่ยั่งยืน VAWTs โดยเฉพาะแบบขนาดเล็ก เหมาะสำหรับการติดตั้งใน สภาพแวดล้อมในเมือง, ไมโครกริด, บนหลังคา และอาคารที่อยู่อาศัย งานวิจัยนี้มีส่วนช่วยในการพัฒนากังหันลมแนวตั้งที่มีประสิทธิภาพและเสถียร เพื่อสนับสนุนการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายศูนย์
• SDG 13 การรับมือการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ: ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ของพลังงานลมในฐานะแหล่งพลังงานหมุนเวียน งานวิจัยนี้มีส่วนช่วยในการ ลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก จากการผลิตไฟฟ้า

อ้างอิง
Priyadumkol, J., Muangput, B., Namchanthra, S., Zin, T., Phengpom, T., Chookaew, W., Suvanjumrat, C., & Promtong, M.* (2025). CFD modelling of vertical-axis wind turbines using transient dynamic mesh towards lateral vortices capturing and Strouhal number. Energy Conversion and Management: X, 26, 101022. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2025.101022