Experimental and CFD analysis of the flow in the wake of a vertical axis wind turbine

Abstract

Aquesta tesi es divideix en dos blocs on s'analitza el flux d'una VAWT.

El primer bloc se centra en l'estudi experimental i numèric d'una VAWT amb vuit pales basada en el fenomen de resistència. A la primera part, la velocitat del vent es fixa en 10 m/s per mesurar la corba de potència de la turbina i els resultats es comparen amb els d'altres turbines Savonius en diferents túnels de vent. També s'ha analitzat la reducció del nombre de pales i s'ha comprovat que el rendiment augmenta. A la segona part, la velocitat del vent s'estableix en 4,5 m/s per a realitzar experiments de visualització de fum. La tècnica de visualització del fum ha permès validar qualitativament les simulacions 2D perquè els patrons de flux visualitzats són similars als simulats numèricament. Les simulacions numèriques han demostrat que el rendiment és més gran amb quatre pales.

En el segon bloc, es proposa i analitza un nou model per predir l'estela de les VAWTs. El model es basa en el disc actuador i en els mètodes de Doble tub de flux múltiple. El model, anomenat MAB (Multiple Actuator Block), es basa en la definició, dins el domini computacional, de múltiples blocs paral·lelepipèdics distribuïts al llarg de la trajectòria de les pales. Els embornals volumètrics de moment s'imposen en aquests blocs per modelar l'efecte de les pales sobre el flux. Les simulacions amb el model MAB s'han comparat amb una simulació de volum finit complet usant la tècnica de malla lliscant. Aquesta simulació requereix aproximadament deu vegades més temps de CPU que les simulacions usant el model MAB. S'ha trobat que les característiques a gran escala del deixant llunyana poden ser reproduïdes utilitzant el model MAB.

Esta tesis se divide en dos bloques donde se analiza el flujo de una VAWT.

El primer bloque se centra en el estudio experimental y numérico de una VAWT con ocho palas basada en el fenómeno de resistencia. En la primera parte, la velocidad del viento se fija en 10 m/s para medir la curva de potencia de la turbina y los resultados se comparan con los de otras turbinas Savonius en diferentes túneles de viento. También se ha analizado la reducción del número de palas y se ha comprobado que el rendimiento aumenta. En la segunda parte, la velocidad del viento se establece en 4,5 m/s para realizar experimentos de visualización de humo. La técnica de visualización del humo ha permitido validar cualitativamente las simulaciones 2D porque los patrones de flujo visualizados son similares a los simulados numéricamente. Las simulaciones numéricas han demostrado que el rendimiento es mayor con cuatro palas.

En el segundo bloque, se propone y analiza un nuevo modelo para predecir la estela de las VAWTs. El modelo se basa en el disco actuador y en los métodos de Doble tubo de flujo múltiple. El modelo, denominado MAB (Multiple Actuator Block), se basa en la definición, dentro del dominio computacional, de múltiples bloques paralelepipédicos distribuidos a lo largo de la trayectoria de las palas. Los sumideros volumétricos de momento se imponen en estos bloques para modelar el efecto de las palas sobre el flujo. Las simulaciones con el modelo MAB se han comparado con una simulación de volumen finito completo usando la técnica de malla deslizante. Esta simulación requiere aproximadamente diez veces más tiempo de CPU que las simulaciones usando el modelo MAB. Se ha encontrado que las características a gran escala de la estela lejana pueden ser reproducidas utilizando el modelo MAB.

This thesis is divided in two blocks where the flow around a VAWT is analysed.

The first block is focused on the experimental and numerical study of a VAWT with eight blades based in drag phenomenon. The experiments are carried out in two parts. In the first part, the wind velocity is set to 10 m/s to measure the power curve of the turbine and the results are compared with those of Savonius turbines in different wind tunnels. The reduction of the number of blades of the turbine has been also analysed and it has been found that the performance increases. In the second part, the wind velocity is set to 4.5 m/s to perform smoke visualization experiments. The smoke visualization technique has allowed the qualitative validation of the 2D simulations because the flow patterns visualized are similar to those numerically simulated. The numerical simulations have demonstrated that the four blades turbine generates higher torque than the turbine with eight blades.

In the second block, a new model to predict the wake of VAWTs is proposed and analysed. The model is based on the actuator disk and the Double Multiple Stream Tube methods. The model, denoted as Multiple Actuator Block (MAB), is based on the definition, inside the computational domain, of multiple parallelepipedic blocks distributed along the path of the blades. Volumetric momentum sinks are imposed in these blocks to model the effect of the blades on the flow. The simulations with the MAB model have been compared with a complete finite volume simulation using the sliding mesh technique. This simulation requires about ten times more CPU time than the simulations using the MAB model. It has been found that the large scale features of the far wake can be reproduced using the MAB model.